Planeten und Asteroiden besser sehen dank Infrarot

In Astronomische Beobachtungen: Wärmestrahlung hatte ich die Grundlagen der Eigenschaften von Wärmestrahlung wiedergegeben – als einfaches Modell, die Strahlung astronomische Objekte zu modellieren. Im letzten Beitrag, Exoplaneten = Glühwürmchen neben Flutlicht, hatte ich nachgerechnet, wieviel weniger leuchtstark Planeten im Vergleich zu ihren Heimatsternen sind, wenn man nur das reflektierte Licht betrachtet. Hier geht es darum, wie man dank Wärmestrahlung, genauer: dank Infrarot-Strahlung, doch noch Bilder von Exoplaneten zustande bringen kann. Und nicht nur von denen: auch zum Nachweis von Asteroiden ist das Infrarote gut geeignet.

Exoplaneten: Warum kaum Bilder?

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Sonne im UV-Licht. Bild: SOHO (NASA & ESA)

Wir kennen inzwischen mehr als 3500 Exoplaneten, also Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. (Die Webseiten exoplanets.eu liefern einen guten und aktuellen Überblick.) Die allermeisten dieser Planeten sind allerdings nur indirekt nachgewiesen. Direkte Bilder gibt es nur von 75 solcher Planeten. Und wenn, dann sind es meist Infrarotbilder, keine Bilder im sichtbaren Licht. Warum?

Den wichtigsten Grund hatte ich gerade unter dem Titel „Exoplaneten = Glühwürmchen neben Flutlicht“ ausgerechnet: Zumindest im Bereich des sichtbaren Lichts und darum herum werden Exoplaneten von ihren Sternen so gnadenlos überstrahlt wie ein Glühwürmchen, das direkt neben einem Stadion-Flutlicht schwebt. Eins zu 500 Millionen betrug das Missverhältnis für einen voll beleuchteten Jupiter; für kleinere Planeten kann es noch deutlich größer sein.

Eigenes Leuchten im Infrarot-Bereich?

Die Rechnung bezog sich dabei freilich ausdrücklich auf reflektiertes Licht, in meinem Zahlenbeispiel gerechnet in jenem Messbereich vom nahen Ultravioletten bis zum Nahinfrarot, der für herkömmliche CCD-Detektoren erfassbar ist. Die Hauptfaktoren, die für das Missverhältnis verantwortlich sind: Bis es den Planeten erreicht hat, hat sich das Sternenlicht bereits deutlich abgeschwächt, und reflektiert wird dann allenfalls derjenige Anteil, der auf die dem Stern zugewandte Planetenhalbkugel fällt.

Aber es ja auch noch eine weitere Art, wie Planeten leuchten können: durch ihre eigene Wärmestrahlung. Kann man einen Planeten auf diese Weise besser abbilden als im reflektierten Sternenlicht?

Betrachten wir dazu einmal begrenzte Filterbänder im sichtbaren bis Infrarotbereich. Es gibt in der Astronomie unübersichtlich viele verschiedene Filtersysteme. Im folgenden beschränke ich mich auf U für ultraviolettes licht, B, V, R entsprechen ungefähr den Farben blau, grün, rot und I, J, H, K sind Filter im Nahinfrarotbereich. Vereinfacht habe ich die Filter als Rechteckfilter modelliert. Das H-Filter beispielsweise lässt bei mir alle Strahlung zwischen 1.1 und 1.4 Mikrometern durch, außerhalb dieses Fensters gar keine Strahlung.

Wieviel Strahlungsleistung ein Stern in jedem dieser Wellenlängenbereiche abstrahlt, ist in dem Diagramm unten für drei verschiedene Sterne dargestellt: Ganz unten jeweils ein roter Zwerg, der als Wärmestrahler mit Temperatur 3500 K abstrahlt, darüber unsere Sonne bei 5700 K und ganz oben ein blauer Hauptreihenstern bei 12600 K. Die Breite jedes der Striche gibt die Breite des Filter-Intervalls wieder.

bands-starsAuch wenn die Leuchtkraftwerte in diesem Falle nicht auf die Wellenlänge bezogen sind, sondern jeweils die Leistung in einem ganzen Filterband wiedergeben, erkennt man doch im wesentlichen die Planck-Kurven wieder: für den roten Zwerg und die Sonne solche, die ihr Maximum in dem abgebildeten Bereich erreichen, für den heißen Stern nur noch die abfallende Flanke bei längeren Wellenlängen.

Wir können in dasselbe Diagramm jetzt auch die Wärmestrahlung für einen jupitergroßen Planeten eintragen. Als drei Temperaturwerte wähle ich einmal die tatsächliche Oberflächentemperatur des Jupiter, nämlich 165 K, als zweite Möglichkeit einen immer noch eher kühlen Jupiter wie GJ 504b mit rund 500 K und als drittes einen heißen Jupiter mit 900 K. Allen dreien habe ich der Einfachheit halber dieselbe Größe gegeben, nämlich die des Original-Jupiter in unserem Sonnensystem. Hier sind die entsprechenden Leuchtkräfte in denselben Filterbändern wie oben für den Stern:

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Schaut man sich an, wieweit die Strahlungsmengen beim richtigen Jupiter (rot) und den Sternen auseinanderliegen, dann ist dort in der Tat nicht viel zu holen. Spannender wird es bei GJ 504b und dem heißen Jupiter. Entscheidend ist dabei, wie in diesem Bild gut zu sehen: Im Infraroten ist das Missverhältnis zwischen den Helligkeiten immerhin deutlich geringer als im UV-Bereich oder im sichtbaren Licht.

Zum Vergleich ist in dem folgenden Diagramm das Helligkeits-Verhältnis zwischen jedem der drei Planeten und unserer Sonne in den verschiedenen Filterbändern dargestellt:

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Daran sieht man recht deutlich: Im Infraroten wird alles besser. Für den kühlen Jupiter (lila Linien, in der Mitte) ist die Lage im J-Band im Vergleich zum I-Band um einen Faktor 10000 günstiger. Für den heißen Jupiter (rote Linien, oben) liegt zwischen I und J immerhin noch ein Faktor 100.

Exoplaneten fotografieren

Möchte man ein herkömmliches Großteleskop mit einem herkömmlichen CCD-Detektor nutzen, macht man daher von Exoplaneten am besten Bilder im Nahinfrarotbereich. Auch in den entsprechenden Filterbändern sind solche Aufnahmen noch eine beachtliche Herausforderung – daher sind sie, wie erwähnt, bislang nur für 75 von rund 3500 bekannte Exoplaneten gelungen.

Typischerweise hat man nur eine Chance, wenn man das Licht des Sterns bei der Aufnahme abschattet – ähnlich wie man sich die Augen abschattet, wenn einen die Sonne beim Beobachten blendet. In Teleskopen heißt das meist kegelförmige Bauteil, das man zu diesem Zweck in den Strahlengang einschiebt, Koronograf. Bilder, die dabei entstehen, sehen typischerweise so ähnlich aus wie hier:

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Nahinfrarot-Falschfarbenbild des „zweiten Jupiter“ GJ 504b, der den sonnenartigen Stern GJ 504 umkreist, aufgenommen mit dem Subaru-Teleskop. Bild: NAOJ

Einige weitere Details habe ich 2013 in einer entsprechenden MPIA-Pressemitteilung beschrieben. Das Bild ist, wie wir gesehen haben mit gutem Grund, im J-Band aufgenommen. Die schwarze Scheibe ganz in der Mitte zeigt den Bereich an, der von dem Koronografen abgedeckt wurde. Die Flecken, die strahlenförmig von der Mitte nach außen gehen, sind Streulicht, das trotz des Koronografen das Bild stört. (Soviel zu der Schwierigkeit, sternnahe Planeten abzubilden!) Der Planet GJ 504b ist der weiße Punkt rechts oben. Er ist 44 Mal soweit von seinem Stern entfernt wie die Erde von der Sonne (vergleichbar der [variablen] Entfernung Sonne-Pluto).

Noch ein Fall für Infrarot: Asteroiden

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Ida mit Dactyl. Bild: NASA/JPL

Auch in unserem eigenen Sonnensystem ist Infrarot für bestimmte Objekte geeigneter als andere Wellenlängen. Asteroiden sind ein Beispiel dafür; rechts (243) Ida mit ihrem kleinen Mond Dactyl, knapp 60 Kilometer lang und durchaus unregelmäßig geformt.

Die meisten Asteroiden absorbieren deutlich mehr Licht als sie reflektieren. Und damit wird es interessant, denn aufgrund der Absorption heizt sich die sonnenzugewandte Seite eines Asteroiden auf und gibt damit eigene Wärmestrahlung ab. Typische Temperaturen liegen bei etwa 300 K und damit durchaus im Bereich von Alltagstemperaturen, denn 300 K sind 300 – 273 = 27 Grad Celsius.

Machen wir einmal mehr eine einfache Rechnung mit thermischer Strahlung: Asteroiden mit 300 K Oberflächentemperatur und 6, 60 bzw. 600 Kilometern Durchmesser. Für die Entfernung des Asteroiden von uns setze ich jeweils 3.5 astronomische Einheiten an (entsprechend einem Asteroiden mittem im Asteroidengürtel, beobachtet während er auf der anderen Seite der Sonne steht und entsprechend schön sichtbar angestrahlt wird).

Vergleichen wir die Strahlungsleistung, die wir in unterschiedlichen Filterbändern pro Quadratmeter Auffangfläche von jedem dieser Asteroiden erhalten mit der entsprechenden Strahlungsleistung pro Quadratmeter für einen Stern wie die Sonne, und zwar in 10, 100, 1000 und 10000 Lichtjahren Entfernung. Hier ist das Ergebnis:

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Die gelben Linien oben zeigen die Intensität des Sternenlichts, von oben nach unten: Im Abstand von 1, 10, 1000 und 10000 Lichtjahren. In rot folgt das Licht des Asteroiden, der 600 km durchmisst, dann 60 km, dann 6 km. Deutlich zu sehen: Im UV-Bereich oder im sichtbaren Licht sind die Sterne deutlich heller als jeder der Asteroiden. Infrarot ist da deutlich günstiger. Insbesondere ab dem H-Band sieht man die helleren Asteroiden ähnlich hell wie die hier gewählten Beispielsterne.

Wer Asteroiden suchen und inmitten der vielen im Teleskop sichtbaren Sterne möglichst deutlich sehen möchte, sollte tunlichst im Infrarotbereich beobachten.

Fazit

Astrophysik umfasst immer die Kenntnis der astronomischen Objekte, der Strahlung, die sie aussenden, und die Praxis, sprich: was lässt sich mit heutigen Mitteln gut beobachten? In meine Rechnungen ging nur das Grundwissen um Wärmestrahlung ein, außerdem die Kenntnis einiger Basisgrößen der betreffenden Objekte. Bereits auf dieser Grundlage sieht man an zwei Beispielen direkt, warum Infrarot in einigen Bereichen der Astronomie das Beobachtungsmittel der Wahl ist: Zum einen, um Exoplaneten direkt zu beobachten, zum anderen um nach Asteroiden zu suchen. Astronomie ist weit mehr, als das Auge sieht – in mehr als einer Hinsicht.

 

P.S.: Dank an Rainer Kresken für die Frage, die zu diesem Blogbeitrag (und damit indirekt auch zu dem davor) führte.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

16 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Schlussfolgerung: Warme+heisse Exoplaneten vom Jupiter-Typ im K-Band (um 2000 nm herum) beobachten! Jedes Infrarotteleskop, das den Namen verdient, kann das.

    Und warum ist hier von Jupitern die Rede? Ich denke wohl, weil alle kleineren Planeten mit heutigen Instrumenten nicht direkt beobachtbar sind.

  2. was lässt sich mit heutigen Mitteln gut beobachten?

    (Zitat von oben) ist tatsächlich eine wichtige Frage. Neue Instrumente und Beobachtungshilfsmittel können alles ändern. So ermöglicht der Vector vortex coronograph (a vortex phase mask in the focal plane) nun auch kleineren Teleskopen die Direktbeobachtung von Exoplaneten. Das Dokument Three years of harvest with the vector vortex coronagraph in the thermal infrared berichtet über die Erfahrungen mit diesem neuen fast perfekten Koronographen bei VLT/NACO, VLT/VISIR, LBT/LMIRCam und Keck/NIRC2.

    Teleskope können durch Hilfsmittel wie adapative Optiken, Nulling-Interferometer oder Koronographen auf geradezu spektakuläre Weise aufgerüstet werden. Spektakulär, weil damit Untersuchungen und Beobachtungen möglich werden, die ohne diese Hilfsmittel unmöglich wären. Auch Weltraumteleskope erhalten zunehmend solche Add-Ons.

  3. Mal eine Dummfrage oder Gedankenspiel:
    Könnte es möglich sein das es einen Planeten geben kann der auch die Umlaufbahn unserer Erde hat und den wir nicht sehen können? Die Frage stellte sich mir eins. So viel ich , als Leihe , weiß schauen wir ins All mit Teleskopen von der Erde oder Satellitenteleskopen im All. Alle drehen sich doch zusammen mit unserer Erde um die Sonne. Wenn nun aber ein Planet in unserer Laufbahn wäre der sich im gleichen Tempo wie unsere Erde um die Sonne drehen würde, und sozusagen (wie beim versteckspielen) durch die Sonne versteckt nicht sichbar wäre. Könnten wir diesen Planeten dann überhaupt erfassen?

    • @Ronny K.;
      Die Umlaufbahn der Erde ist bekanntlich nur beinah eine Kreisbahn, sondern mehr eine Ellipse. Das bedeutet auch, dass die Umlaufgeschwindigkeit nicht immer gleich ist. Somit müsste eine solche hypothetische „Zwillingserde“ von der Erde aus manchmal am Rand der Sonne sichtbar werden.

      • Die Beobachtung einer knapp neben der Sonne erscheinenden Gegenerde wäre vermutlich nur während einer totalen Sonnenfinsternis möglich.
        Rein theoretisch könnte die elliptische Umlaufbahn der Gegenerde genau symmetrisch zur elliptischen Umlaufbahn der Erde liegen, so dass immer die Sonne zwischen der Gegenerde und der Erde liegt.

    • Wie hier schon erwähnt würde man das an den Bahnstörungen recht schnell mitbekommen. Soweit ich erinnere hat vor einem Jahr ein Physiklehrer auf einer unserer Sommerschulen auch mit einer einfachen Simulation gezeigt, dass die Situation „Sonne plus zwei gegenüberliegende Planeten auf gemeinsamer Umlaufbahn“ schon für sich genommen instabil ist; dafür finde ich aber auf die schnelle keine Quelle.

  4. Eine zweite Erde direkt mit einem Teleskop zu beobachten wäre wohl das sensationellste was uns die Astronomie bescheren könnte. Wie die Daten zum oben erwähnten Exoplanet GJ 504 b (222 Celsius warmer, blauer (also wolkenarmer) „Jupiter“ der in grossen Abstand um eine sonnenähnliche Sonne kreist) zeigen, sind wir noch weit davon entfernt. Das eingesetzte 8 m Subaru-Teleskop gehört dabei zu den grössten, die es momentan gibt. Beobachtet wurde über ein Jahr lang und es wurden aufwendige Untersuchungen mit verschiedenen Filtern und Korrekturalgorithmen durchgeführt. Und ja, nur gerade die Beobachtung im nahen Infrarot machte die genaue Datenerhebung zu GJ 504 b überhaupt möglich.

    Es scheint, dass die zukünftigen weltraum- (James Webb) und erdbasierten Grossteleskope (Giant Megallan, EELT, 30 Meter Telescope) gerade knapp in der Lage sein könnten eine zweite Erde zu beobachten und zu charakterisieren. Dazu müssen sie wohl ebenfalls im Infrarotbereich beobachten und das James Webb Teleskop als spezialisiertes, optimiertes Infrarotteleskop hat trotz seiner nur 14 Mal 16 Meter grossen Spiegelfläche gute Chancen der Erstentdecker einer zweiten Erde zu sein.
    Doch ein zukünftiges erdbasiertes Teleskop wie der oben wohl das ambitionierteste Langfristziel der Exoplanetenforschung.

  5. Kometen und Exoplaneten findet man im Infraroten eher als im sichtbaren Bereich. Bei Exoplaneten kann man mit der Infrarot-Spektroskopie (vorhanden im James-Webb-Weltraumteleskop) zudem Moleküle wie H20, CO2, CH4, NH3, CO nachweisen. Der Infrarotbereich ist also aus mehreren Gründen für die Exoplanetensuche und -charakterisierung interessant.

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