Atmosphäre Massenverlust mit UV-Spektroskopie von Exoplanet

Exoplaneten sind Planeten, die sich um andere Sterne als unsere Sonne drehen. Beobachtungen im letzten Jahrzehnt im ultravioletten Wellenlängenbereich mit dem Hubble-Weltraumteleskop (HST) führten zur Entdeckung von Materialien, die aus der Atmosphäre von Exoplaneten in der Nähe seines Sterns entweichen. Die Beobachtung dieses Phänomens wird uns helfen zu verstehen, wie sich Planeten entwickeln und wie Sterne mit Planeten interagieren. Aber aufgrund begrenzter Beobachtungen ist unsere Modellierung begrenzt. Dieses Projekt soll dieses Problem lösen, indem fast ein Dutzend Exoplaneten mit dem ersten ultravioletten CubeSat der NASA namens CUTE beobachtet werden. Wir werden Daten von CUTE- und HST-Beobachtungen für mehr als ein Dutzend herausragender Exoplanetensysteme in der Nähe sammeln und dabei ein breites Spektrum stellarer, planetarer und orbitaler Parameter untersuchen. Diese Beobachtungen werden auf homogene und systematische Weise analysiert, um bahnbrechende Ergebnisse zu den Auswirkungen der atmosphärischen Flucht auf die planetare Evolution und ihre Bevölkerungsverteilung zu liefern. Dieses Projekt wird am Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) der University of Colorado, Boulder, USA und Institut für Weltraumforschung, Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Graz, Österreich durchgeführt.

Unser Team arbeitet mit CUTE (Colorado Ultraviolet Transit Experiment), einem kleinen Satelliten, der im September 2021 gestartet wird. Sein Ziel ist es, die oberen Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen, insbesondere von heißen Jupitern - großen Gasplaneten, die sehr nahe um ihre Sterne kreisen. Diese extremen Bedingungen bieten ein einzigartiges Labor, um zu erforschen, wie Planeten mit der Strahlung ihrer Sterne interagieren. CUTE hat seine Testphase abgeschlossen und ist nun im regulären wissenschaftlichen Betrieb. Es wurde eine automatisierte Pipeline für die Datenverarbeitung entwickelt, mit der die Beobachtungen erfolgreich analysiert und bekannte Quellen von Rauschen und Systematik korrigiert werden. Unser erstes Ziel war der Planet WASP-189b. Drei qualitativ hochwertige Beobachtungen zeigten vielversprechende Hinweise auf ein Entweichen aus der Atmosphäre. Diese Ergebnisse wurden mit unabhängigen Methoden bestätigt. Außerdem haben wir die Datenverarbeitung verbessert und neue Techniken zur Korrektur von Hintergrundrauschen und instrumentellen Effekten entwickelt. Die Ergebnisse wurden in den Astronomical Journal Letters veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen vorgestellt. Neben WASP-189b analysieren wir auch andere heiße Jupiter, darunter HD 189733b, KELT-9b, WASP-33b und MASCARA-4b. Wir verwenden Daten von CUTE und Archivdaten des Hubble-Weltraumteleskops im nahen und fernen Ultraviolett. Unsere Beobachtungen zeigen, wie unterschiedlich Planeten auf die Strahlung ihrer Sterne reagieren. Wir entwickeln detaillierte Computermodelle, um diese Daten zu interpretieren. Ein solches Modell für WASP-178b hat gezeigt, dass die Atmosphäre des Planeten in großen Höhen durch nicht standardisierte physikalische Prozesse erheblich beeinflusst wird. Insbesondere Eisen- und Magnesiumatome spielen eine Schlüsselrolle beim Aufheizen und Abkühlen der oberen Atmosphäre. Unsere Modelle zeigen, dass wir diese Effekte einbeziehen müssen, wenn wir die Beobachtungen genau abgleichen wollen, insbesondere im ultravioletten Wellenlängenbereich. Eine wichtige Erkenntnis unserer bisherigen Forschung ist ein wiederkehrendes Muster: Bei allen untersuchten heißen Jupitern gibt es Anzeichen für ein Entweichen der Atmosphäre. Dieser Prozess, der als hydrodynamisches Entweichen bezeichnet wird, wird durch starke stellare Strahlung verursacht. Die Intensität dieses Prozesses variiert je nach Größe, Temperatur und Entfernung des Planeten vom Stern. In Zukunft wollen wir eine vergleichende Analyse verschiedener Planeten durchführen, um die Vielfalt und Häufigkeit atmosphärischer Entweichungsprozesse besser zu verstehen. Bislang haben wir insgesamt fünfzehn wissenschaftliche Artikel veröffentlicht, weitere drei bis vier sind in Vorbereitung. Diese decken ein breites Spektrum an Themen ab - von der Kalibrierung von Instrumenten bis hin zu planetenspezifischen Fallstudien. Unsere Arbeit trägt zu einem umfassenden Bild der Entwicklung und des Überlebens von Planeten unter extremen Bedingungen bei - Erkenntnisse, die auch für das Verständnis unseres eigenen Sonnensystems unter wechselnden stellaren Einflüssen wichtig sind.