Berner Forschende weisen die Verformung eines Exoplaneten nach

Mithilfe des Weltraumteleskops CHEOPS konnte ein internationales Team von Forschenden mit Beteiligung der Universitäten Bern und Genf sowie dem Nationalen Forschungsschwerpunkt, NFS, PlanetS zum ersten Mal die Verformung eines Exoplaneten nachweisen.

Aufgrund von starken Gezeitenkräften erinnert die Erscheinung des Planeten WASP-103b eher an einen Rugbyball als an eine Kugel. An Küsten bestimmen die Gezeiten den Rhythmus des Geschehens.

Bei Ebbe bleiben Boote auf dem Land sitzen, bei Flut wird der Weg aufs Meer für sie wieder frei. Erzeugt werden die Gezeiten auf der Erde in erster Linie durch den Mond.

Seine Anziehungskraft bewirkt in der darunterliegenden Ozeanregion eine Anhäufung von Wasser – den Flutberg –, welches dann in umliegenden Regionen fehlt und so die Ebbe ausmacht. Obwohl diese Verformung des Ozeans vielerorts markante Pegelunterschiede ausmacht, ist sie vom Weltraum aus kaum erkennbar.

Auf dem Planeten WASP-103b sind die Gezeiten sehr viel extremer. Der Planet umkreist seinen Stern in nur einem Tag und wird durch die starken Gezeiten so sehr verformt, dass seine Erscheinung an einen Rugbyball erinnert.

Dies zeigt eine neue Studie mit Beteiligung von Forschenden der Universitäten Bern und Genf sowie dem Nationalen Forschungsschwerpunkt, NFS, PlanetS, die heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde.

Diese Erkenntnis wurde möglich dank Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS. CHEOPS ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation, ESA, und der Schweiz, unter der Leitung der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Universität Genf.

Der Planet WASP-103b befindet sich im Sternbild Herkules, ist fast doppelt so gross ist wie Jupiter, hat seine eineinhalbfache Masse und ist seinem Stern etwa fünfzigmal näher als die Erde der Sonne.

«Wegen seiner grossen Nähe zu seinem Stern hatten wir bereits vermutet, dass auf dem Planeten sehr grosse Gezeiten verursacht werden. Nachweisen konnten wir das bisher jedoch nicht», erklärt Studienmitautor Yann Alibert, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS.

Zwar hatten bereits das ESA/NASA Hubble-Weltraumteleskop und auch das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA den Planeten beobachtet. Kombiniert mit der hohen Präzision und flexiblen Ausrichtung von CHEOPS, ermöglichten diese Beobachtungen den Forschenden, das winzige Signal der Gezeitendeformation dem Lichtjahre entfernten Planeten zu messen.

Dabei machten sie sich zunutze, dass der Planet das Licht des Sterns jeweils etwas abdunkelt, wenn er davor vorbeizieht.

«Nachdem wir mehrere solche sogenannten ‹Transits› beobachtet hatten, waren wir in der Lage, die Verformung zu messen. Es ist unglaublich, dass uns dies gelungen ist – es das erste Mal, dass eine solche Analyse durchgeführt wurde», berichtet Mitautor der Studie Babatunde Akinsanmi, der an der Universität Genf forscht und dem NFS PlanetS angegliedert ist.

Die Ergebnisse der Forschenden lassen nicht nur Rückschlüsse auf die Form des Planeten zu, sondern auch auf sein Inneres. Denn das Team konnte aus der Transitlichtkurve von WASP-103b auch einen Parameter – die sogenannte «Love-Zahl», benannt nach dem britischen Mathematiker Augustus E. H. Love – ableiten.

Dieser gibt an, wie die Masse innerhalb des Planeten verteilt ist und gibt damit auch Hinweise auf die innere Struktur. «Der Widerstand eines Materials gegen Verformung hängt von seiner Zusammensetzung ab», erklärt Akinsanmi.

«Die Gezeiten auf der Erde können wir nur in den Ozeanen sehen. Der felsige Teil bewegt sich nicht so stark. Indem wir messen, wie stark der Planet verformt ist, können wir deshalb feststellen, wie viel von ihm aus Gestein, Gas oder Wasser besteht».

Die Love-Zahl von WASP-103b ist ähnlich jener des Jupiters, dem Gasriesen unseres Sonnensystems, was darauf schliessen lässt, dass die innere Struktur ähnlich ist – obwohl WASP-103b den doppelten Radius hat.

«Im Prinzip würden wir erwarten, dass ein Planet mit der 1,5-fachen Masse des Jupiters in etwa die gleiche Grösse hat. Daher muss WASP-103b aufgrund der Erwärmung durch seinen Stern und vielleicht auch durch andere Mechanismen stark aufgebläht sein», sagt Co-Autorin der Studie Monika Lendl, Professorin für Astronomie an der Universität Genf und Mitglied des NFS PlanetS.

Da die Messunsicherheit bei der Love-Zahl allerdings noch recht hoch ist, werden künftige Beobachtungen mit CHEOPS und dem James-Webb-Weltraumteleskop nötig sein, um die Details der Gezeitenverformung und inneren Struktur von WASP-103b und vergleichbarer Exoplaneten zu entschlüsseln.

«Das würde unser Verständnis dieser sogenannten «heissen Jupiter» verbessern und einen besseren Vergleich zwischen diesen und Riesenplaneten im Sonnensystem ermöglichen», so Lendl abschliessend.