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Praxis

Fotografischer Nachweis von Exoplaneten

Photometrische Lichtkurven können Transits extrasolarer Planeten dokumentieren. Lesen Sie die Anleitung, die das möglich macht.

ESO/L. Calçada Künstler ESO/L. Calçada Künstler

So gelingt die Beobachtung der Lichtkurven von Transitplaneten

Planetenfotografie muss nicht an den Grenzen unseres Sonnensystems enden: Die Suche nach Welten um andere Sonnen hat in den vergangenen rund 20 Jahren zur Entdeckung mehrerer tausend extrasolarer Planeten geführt. Einige dieser »Exoplaneten« lassen sich schon mit durchschnittlichen Amateurteleskopen relativ einfach fotografisch nachweisen.

Für den Nachweis von Exoplaneten durch Amateure bietet sich dabei die sogenannte Transitmethode an: Wird bereits vor der Bedeckung eines Sterns durch seinen Exoplaneten damit begonnen, die Helligkeit des Sterns kontinuierlich mit einer an das Teleskop adaptierten Kamera aufzuzeichnen, so zeigt sich bei der Datenauswertung später in der entstehenden Kurve der Sternhelligkeit eine Verringerung durch den Transit des Exoplaneten vor dem Stern. Am Ende des Transits nimmt die Helligkeit dann wieder zu.

Das richtige Equipment

Oft kann das für die Fotografie der Planeten unseres Sonnensystems vorhandene Equipment auch für den fotografischen Nachweis von Exoplaneten eingesetzt werden. Zum Nachweis von Exoplaneten haben sich Schmidt-Cassegrain-Teleskope mit 200mm bis 400mm Öffnung bewährt, da diese Teleskope nicht nur eine große Öffnung bieten, sondern auch, da sie in der Regel in einer Gabelmontierung betrieben werden, so dass der Vorteil dieses Montierungstyps genutzt werden kann: Die Beobachtung eines Exoplanetentransits sollte bei möglichst hohem Stand des Sterns über dem Horizont erfolgen und zieht sich meist über mehrere Stunden hin. Bei parallaktisch-montierten Teleskopen wird daher meist ein Umschlagen der Montierung notwendig, das mit einer Neuausrichtung des Teleskops, ggf. einer Neuausrichtung der Kamera und einem Neustart des Guiders verbunden ist. Dies ist nicht nur eine unschöne Unterbrechung, sondern führt in der Regel auch dazu, dass die Aufnahmedaten einiger Minuten während des Transits fehlen. Hier haben die in Gabelmontierungen auf einer Polhöhenwiege montierten SC-Teleskope den Vorteil, dass die Beobachtung des Transits nahtlos ohne Unterbrechung erfolgen kann.

Die Öffnung des verwendeten Teleskops hat natürlich Einfluss auf die Anzahl der beobachtbaren Exoplaneten: Mit den 200mm Öffnung einer klassischen SCT-Optik lassen sich gut Transits von bekannten Exoplaneten bei Sternen bis zur 12. bis 14. Größenklasse nachweisen (wobei der Nachweis umso leichter fällt, je größer die Helligkeitsschwankung ist, die der Transitplanet verursacht). Transite an lichtschwächere Sterne erfordern größere Teleskopöffnungen. Eine Nachführkontrolle (Auto-Guiding) der Montierung während des Transits ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass der beobachtete Stern während der gesamten mehrstündigen Beobachtungszeit auf dem Chip der CCD-Kamera gehalten wird.

Als Kamera sollte eine gekühlte CCD-Kamera verwendet werden. Bei der Größe des Aufnahmechips der Kamera ist darauf zu achten, dass im Bildfeld neben dem Transitstern noch weitere – etwa gleichhelle – Sterne abgebildet werden können, da diese später bei der Bildauswertung als Referenzsterne hilfreich sind.

Für den fotografischen Nachweis eines Exoplaneten eignen sich gekühlte CCD-Kameras an Schmidt-Cassegrain-Teleskopen mit
200mm Öffnung sehr gut; wobei der Nachweis auch mit anderen Teleskoptypen möglich ist – es gibt auch erfolgreiche Exoplanetennachweise,
die mit 60mm-Refraktoren gelungen sind. U. Dittler Für den fotografischen Nachweis eines Exoplaneten eignen sich gekühlte CCD-Kameras an Schmidt-Cassegrain-Teleskopen mit 200mm Öffnung sehr gut; wobei der Nachweis auch mit anderen Teleskoptypen möglich ist – es gibt auch erfolgreiche Exoplanetennachweise, die mit 60mm-Refraktoren gelungen sind. U. Dittler

Auswahl des Exoplaneten

Welche Exoplaneten-Transits sich zur Beobachtung anbieten, hängt neben dem verwendeten Teleskop vor allem vom Standort des Beobachters und natürlich ganz wesentlich von der Länge der Nacht ab – daher eignen sich lange Winternächte eher dazu, einen mehrstündigen Transit zu dokumentieren, als kurze Sommernächte, bei denen Anfang oder Ende eines Transits ggf. in die Dämmerung fallen. Bei der Auswahl des zu dokumentierenden Transits hilft das Internet: In der von tschechischen Astronomen betriebenen »Exoplanet Transit Database« können nach Eingabe des Beobachtungsortes unter dem Menüpunkt »Transit predictions « tagesaktuelle Listen von Transits bekannter Exoplaneten für die kommenden Tage erstellt werden.

Die Transitmethode ist sicherlich die einfachste Methode, um mit Amateurmitteln
einen Exoplaneten nachzuweisen: Während seiner Wanderung vor dem Stern blockiert der Exoplanet
dessen Licht, so dass sich in den kontinuierlichen Helligkeitsmessungen eine entsprechende
Verdunkelung nachweisen lässt. Abenteuer Astronomie Die Transitmethode ist sicherlich die einfachste Methode, um mit Amateurmitteln einen Exoplaneten nachzuweisen: Während seiner Wanderung vor dem Stern blockiert der Exoplanet dessen Licht, so dass sich in den kontinuierlichen Helligkeitsmessungen eine entsprechende Verdunkelung nachweisen lässt. Abenteuer Astronomie
Da sich die Beobachtung eines Transits über mehrere Stunden hinziehen
kann und sich der Stand des beobachteten Sterns über dem Horizont
deutlich ändert, kann es hilfreich sein, einen Exoplaneten-Filter einzusetzen,
der den Einfluss des Horizontdunstes auf die aufgezeichneten Bilder reduziert. U. Dittler Da sich die Beobachtung eines Transits über mehrere Stunden hinziehen kann und sich der Stand des beobachteten Sterns über dem Horizont deutlich ändert, kann es hilfreich sein, einen Exoplaneten-Filter einzusetzen, der den Einfluss des Horizontdunstes auf die aufgezeichneten Bilder reduziert. U. Dittler

Bei der Auswahl eines zu beobachtenden Transits ist neben der Helligkeit des Sterns vor allem die zu erwartende Verdunkelung zu berücksichtigen: Für Anfänger bieten sich Exoplaneten-Transits an, die einen Helligkeitsabfall von mind. 0,m02 verursachen und bei Sternen bis zur 10. Größenklasse zu beobachten sind. Kurze Transitzeiten vereinfachen zudem die Beobachtung und führen schnell zu sichtbaren Ergebnissen und Erfolgserlebnissen. Bei der Auswahl eines Transits sollte darüber hinaus darauf geachtet werden, dass sowohl Beginn als auch Ende des Transits hoch über dem Horizont sichtbar sind – eine Transitbeobachtung im Zenit ist meist einfacher und vielversprechender als eine Beobachtung in Horizontnähe.

Der Exoplanet HD189733b ist ein geeigneter Kandidat für
den Einstieg in die Exoplaneten-Beobachtung, auch da der Stern, den
der Exoplanet umkreist, sich durch seine Nähe zum bekannten Hantelnebel
(M27) leicht finden lässt. U. Dittler Der Exoplanet HD189733b ist ein geeigneter Kandidat für den Einstieg in die Exoplaneten-Beobachtung, auch da der Stern, den der Exoplanet umkreist, sich durch seine Nähe zum bekannten Hantelnebel (M27) leicht finden lässt. U. Dittler

Ein sehr guter Kandidat für den Einstieg in die Exoplaneten-Beobachtung ist beispielsweise der Exoplanet HD 189733b: Ein Umlauf des Exoplaneten HD 189733b dauert nur 2,22 Tage (53 Stunden) und führt zu einer beobachtbaren Verdunkelung von etwa 2,5%, wobei der Transit des Planeten vor seinem Stern insgesamt nur 109 Minuten dauert. Die große Helligkeit des Sterns (7,m67), die schnelle Umlaufzeit des extrasolaren Planeten HD 189733b und die relativ große Verdunkelung machen HD 189733b zu einer sehr guten Wahl, wenn es um den Einstieg in die Exoplanetenbeobachtung geht. Das Aufsuchen von HD 189733b und seinem Mutterstern HD 189733 wird durch deren unmittelbare Nachbarschaft zu dem bekannten Hantelnebel M 27 vereinfacht.

In der Datenauswertung der Lichtkurve des Exoplaneten HD189733b zeigt sich die
typische »Delle«, die der am Stern vorbeiziehende Exoplanet durch die teilweise Bedeckung des
Sterns verursacht. Die hier ausgewerteten Daten wurden an einem Celestron C8 mit einer Kamera
von Typ Sbig STL-11000 aufgenommen. U. Dittler In der Datenauswertung der Lichtkurve des Exoplaneten HD189733b zeigt sich die typische »Delle«, die der am Stern vorbeiziehende Exoplanet durch die teilweise Bedeckung des Sterns verursacht. Die hier ausgewerteten Daten wurden an einem Celestron C8 mit einer Kamera von Typ Sbig STL-11000 aufgenommen. U. Dittler

Durchführung der nächtlichen Aufnahmen

Nach dem Aufsuchen des Sterns, dessen Positionierung zentral auf dem Aufnahmechip und dem Starten des Autoguiders kann der Stern des Exoplaneten kontinuierlich fotografiert werden, wobei es sich als hilfreich erwiesen hat, die Sternabbildung etwas zu defokussieren (so dass sich das Sternlicht auf mehrere Pixel verteilt) und darauf zu achten, dass die maximale Sättigung der Sternabbildung etwa 70–75% beträgt, um den Einfluss des Rauschens zu vermindern und ein Ausbrennen der Pixel zu vermeiden.

Zur Auswertung der gewonnenen Daten bieten sich verschiedene Software-Lösungen an, viele davon wurden ursprünglich für den Nachweis veränderlicher Sterne entwickelt und sind daher heute entsprechend ausgereift. Im Folgenden wird die Bildverarbeitung mithilfe des Programms »Muniwin« beschrieben.

Zunächst sind die Bilder aufeinander auszurichten, um fehlende Exaktheit in der Nachführung auszugleichen. Für die photometrische Bearbeitung ist nicht nur der Mutterstern des Exoplaneten zu markieren, sondern zusätzlich ein – möglichst gleichheller – Vergleichsstern sowie ein oder mehrere Check-Sterne, die von der Software ebenfalls zur Berechnung der Helligkeitsentwicklung herangezogen werden. Die Darstellung der in den Aufnahmen gefundenen Helligkeitsschwankungen erfolgt dann in einer anschaulichen grafischen Kurve des Helligkeitsverlaufs.

Die Einzelaufnahmen wurden in Muniwin eingelesen. In diesem Prozessschritt wurden
der Mutterstern des Exoplaneten sowie verschiedene Vergleichsterne markiert. U. Dittler Die Einzelaufnahmen wurden in Muniwin eingelesen. In diesem Prozessschritt wurden der Mutterstern des Exoplaneten sowie verschiedene Vergleichsterne markiert. U. Dittler

Die einzelnen Schritte der Bildverarbeitung

Nach dem Anlegen eines neuen Projektes zur Erstellung einer Lichtkurve können die Aufnahmen der Aufnahmeserie in Muniwin importiert werden, der zusätzliche Import von Flatfield- und Dunkelbildern ermöglicht dann die automatisierte Korrektur aller Rohaufnahmen der Serie. Nach der anschließenden Auswahl des Mutterstern und der Vergleichs- bzw. Prüfsterne kann die photometrische Auswertung der Aufnahmen gestartet werden. Im Ergebnis berechnet Muniwin nicht nur den Helligkeitsverlauf des Transitsterns im Vergleich zum Vergleichsstern, sondern die Helligkeitsunterschiede zwischen allen markierten Sternen (Transitstern, Vergleichsstern und Checksterne). Dies hat den Vorteil, dass man sich sehr schnell einen Überblick über die Qualität der Aufnahmen und der gewählten Vergleichssterne verschaffen kann, da die Helligkeitsunterschiede zwischen den Checksternen eine gerade Linie (und keine Kurve) ergeben sollten, da die Helligkeit dieser Sterne ja während der Aufnahmeserie unverändert geblieben sein sollte.

Ein klassisches Speichern des Ergebnisbildes und die sonst für Astrofotos übliche Anpassung von Kontrast und Tonwertumfang entfallen, da das wesentliche Ergebnis von Muniwin nach der Datenanalyse eine zunächst unscheinbare Textdatei der Analyseergebnisse ist.

Diese Analysedaten eines Exoplaneten- Transits können der Exoplanet Transit Database zur Verfügung gestellt werden, um so dazu beizutragen, die Umlaufzeiten des beobachteten Exponenten exakter zu berechnen. Darüber hinaus entsteht dort so eine Sammlung an Beobachtungsdokumentationen, die auch zeigen, welche Leistungen mit welcher Ausrüstung möglich sind. Nach dem Upload der Analyseergebnisse und deren Prüfung durch Astronomen der Exoplanet Transit Database erstellen diese eine Grafik, die den Verlauf des dokumentierten Exoplanetentransits anschaulich visualisiert.

8: Als Ergebnis der Analyse errechnet Muniwin eine grafische Darstellung des Helligkeitsverlaufs
des durch den Exoplanetentransit verdunkelten Stern (deutlich ist das Absinken
der Helligkeit in der Mitte der Kurve zu sehen). U. Dittler 8: Als Ergebnis der Analyse errechnet Muniwin eine grafische Darstellung des Helligkeitsverlaufs des durch den Exoplanetentransit verdunkelten Stern (deutlich ist das Absinken der Helligkeit in der Mitte der Kurve zu sehen). U. Dittler

Fazit

Der Nachweis von extrasolaren Planeten ist sicherlich noch ein Randbereich der Amateurastronomie – dennoch besitzen viele Amateure schon das zum Exoplaneten- Nachweis notwendige Equipment. Der Nachweis von Exoplaneten ist zudem ein Bereich der Astronomie, bei dem derzeit auch Amateure noch ihren Beitrag zur Forschung liefern können – auch wenn die Entdeckung von Exoplaneten sicherlich durch Amateure immer schwieriger wird, können sie mit der Vermessung von bekannten Exoplaneten noch Daten beitragen, um die einzelnen Exoplaneten zukünftig besser verstehen und Transits vorhersagen zu können.

Autor: Ullrich Dittler / Lizenz: Oculum-Verlag GmbH

18.06.2021
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