CHEOPS: Exoplaneten und ferne Welten im Fokus

Eine russische Soyuz startet vom europäischen Weltraumbahnhof ins All. An Bord das Weltraumteleskop CHEOPS. Es soll ferne Exoplaneten aus einer sonnensynchronen Erdumlaufbahn in 700 Kilometern Höhe untersuchen.

CHEOPS wurde mit Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) realisiert und soll Planeten auf ihre Größe, Dichte und mögliche Atmosphären hin untersuchen. Auch am Boden bringt sich das DLR mit umfangreicher Expertise in der Datenauswertung ein. Die Forschung zu Planeten an anderen Sternen wurde erst dieses Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Nun soll am 17. Dezember 2019 um 05:54 Uhr Ortszeit (09:54 Uhr MEZ) das von Nobelpreisträger Didier Queloz wissenschaftlich geleitete ESA-Weltraumteleskop CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) mit einer Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana abheben und weitere Geheimnisse von Exoplaneten lüften.

“Mittlerweile sind mehr als 4.000 Exoplaneten in unserer Milchstraße bekannt und doch wissen wir noch viel zu wenig über diese fernen Welten in unserer kosmischen Nachbarschaft”, sagt Prof. Heike Rauer, Leiterin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin. “Wir sind nun gemeinsam mit weltweit forschenden Kolleginnen und Kollegen gespannt, welche ‚Gesichter‘ die von CHEOPS charakterisierten Planeten uns zeigen werden.”

“Mini-Sternfinsternis” verrät Details

Das neue Weltraumteleskop wird mehrere hundert helle Sterne untersuchen, in deren Umlaufbahnen bereits Planeten beispielsweise durch das Teleskopsystem NGTS (Next-Generation Transit Survey) in Chile oder das NASA-Weltraumteleskop TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) entdeckt wurden. Dabei misst CHEOPS winzige Helligkeitsänderungen, wenn ein Planet bei einem so genannten ‚Transit‘ vor seinem Stern durchzieht. “Man könnte diese kurze Helligkeitsschwankung auch eine ‚Mini-Sternenfinsternis‘ nennen, denn der vorbeiziehende Exoplanet schwächt das Sternenlicht für kurze Zeit”, erklärt Dr. Juan Cabrera vom DLR-Institut für Planetenforschung. “Und diese Schwankung lässt sich messen und analysieren, wofür wir passende Werkzeuge und langjährige Erfahrung einbringen.”

Die Mission konzentriert sich auf Sterne, um die Planeten im Größenbereich zwischen Erde und Neptun kreisen, also Planeten mit Durchmessern von zirka 10.000 bis etwa 50.000 Kilometern. Aus den Messungen des Verlaufs der Helligkeitskurven während des Transits vor ihrem Stern können die Wissenschaftler die Größe der am Stern vorbeiziehenden Planeten bestimmen. Diese Daten, zusammen mit bereits durch andere Beobachtungsmethoden gewonnene Informationen zu den Massen der Planeten, ermöglicht es darüber hinaus ihre Dichte zu bestimmen, eines der wichtigsten Kriterien zur Charakterisierung eines unbekannten Planeten.

Licht der Planetensichel einfangen

Damit lassen sich diese Welten außerhalb unseres Sonnensystems erstmals genauer verstehen. Denn die Dichte eines Planeten liefert wichtige Hinweise auf seine Zusammensetzung und Struktur – etwa ob er überwiegend aus Gestein besteht und im Inneren einen Kern aus Metall besitzt, ob sich auf dem Planeten vielleicht sogar große Ozeane befinden, oder ob er sich hauptsächlich aus Gasen zusammensetzt.

Zudem wird CHEOPS die Planeten nicht nur während des Transits beobachten, sondern auch, wenn sie in ihrem Orbit seitlich vom Stern stehen und von ihm beleuchtet werden, ganz ähnlich der Situation, wenn wir von der Erde aus den inneren Nachbarplaneten Venus seitlich von der Sonne stehend beobachten können. Aus den gemessenen Lichtkurven wollen die Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Existenz einer Atmosphäre ziehen und nach Möglichkeit sogar herausfinden, ob der Planet Wolken in seiner Atmosphäre hat.

Optik: genauestes Zielen auf Sterne

Das DLR ist an der wissenschaftlichen Auswertung der Daten beteiligt und steuerte mit seinen Berliner Instituten für Optische Sensorsysteme und für Planetenforschung das Fokalebenen-Modul für den Aufnahmesensor und das Modul mit der Sensorsteuerelektronik für die dahinter befindliche Front-End-Elektronik bei. Eine der herausragenden Eigenschaften des Teleskops ist es, über lange Zeiträume eine extrem hohe Zielgenauigkeit von idealerweise einer Bogensekunde beibehalten zu können – das ist der 3.600. Teil eines Winkels von einem Grad. Zum Vergleich: Der Mond hat von der Erde betrachtet einen Durchmesser von 1.800 Bogensekunden oder 30 Bogenminuten, die Venus, der hellste sichtbare Planet, einen Durchmesser von maximal 60 Bogensekunden.

“Das Fokalebenen-Modul gewährleistet die hohe Empfindlichkeit und Stabilität des CHEOPS-Teleskops”, unterstreicht Gisbert Peter vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. “Der Sensor von CHEOPS ist in der Lage 20 Millionstel schwache Helligkeitsunterschiede aufzuzeichnen.” Das 120 Zentimeter lange CHEOPS-Teleskop hat eine Öffnung von 30 Zentimetern und eine Masse von knapp 60 Kilogramm. Zusammen mit der Plattform wiegt es gerade einmal 300 Kilogramm. Deshalb benötigt das Weltraumteleskop für die Reise ins All keine eigene Startrakete, sondern wird ‚huckepack‘ zusammen mit einer weiteren Nutzlast in seinen Orbit gebracht.

CHEOPS wurde im Rahmen einer Partnerschaft zwischen der europäischen Weltraumorganisation ESA und der Schweiz entwickelt. Unter der Leitung der Universität Bern und der ESA ist ein Konsortium unter Beteiligung des DLR mit mehr als hundert Wissenschaftlern und Ingenieuren aus elf europäischen Ländern beteiligt. Die Missionsdauer wird zunächst dreieinhalb Jahre betragen. Neben den Messungen und Beobachtungen durch das CHEOPS-Wissenschaftsteam sind auch 20 Prozent der Beobachtungszeit für externe Wissenschaftler aus der ganzen Welt reserviert.

Erdähnliche: Entdeckungstour mit PLATO

CHEOPS ist die erste von drei europäischen Missionen zur Erforschung von Exoplaneten Neben CHEOPS ist das DLR umfangreich am ESA-Weltraumteleskop PLATO (PLanetary Transits and Oscillations of stars) beteiligt. PLATO soll 2026 starten und wird ein großer Schritt auf der Suche nach erdähnlichen Planeten in unserer kosmischen Nachbarschaft sein. Denn das deutlich aufwendigere Weltraumteleskop mit seinen 26 Einzeloptiken und Kameras wird als erstes Instrument erdgroße Planeten in der ‚habitablen‘, also lebensfreundlichen Zone von sonnenähnlichen Sternen detektieren – dort, wo flüssiges Wasser auf den Planeten möglich ist.

Suche nach der zweiten Erde

PLATO sucht sozusagen nach einer ‚zweiten Erde‘ und wird darüber hinaus das Alter von Planetensystemen genauer als bisher bestimmen können. Das wissenschaftliche Instrument wird von einem internationalen Konsortium verantwortet, das unter der Leitung von Prof. Heike Rauer vom DLR-Institut für Planetenforschung steht. Die gesamte Mission umfasst neben den Entdeckungen mit der Transitmethode vom Weltraum aus auch nachfolgende Messungen mit anderen Teleskopen.

Schließlich wird die ESA 2028 mit ARIEL (Atmospheric Remote‐sensing Infrared Exoplanet Large‐survey mission) ein weiteres Weltraumteleskop starten, dessen Schwerpunkt auf der Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten liegt. So wird in den 2020er-Jahren ein umfangreicher Katalog mit den genauen Angaben von Orbit, Radius, Masse, Dichte und Alter der Planeten entstehen sowie für Gasplaneten mit Angaben zur Zusammensetzung ihrer Atmosphären. Von 2007 bis 2012 entdeckte das französische Weltraumteleskop CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits) insgesamt 32 Planeten, woran das DLR-Institut für Planetenforschung bereits umfangreich beteiligt war. Damit verfügt das DLR über eine langjährige Expertise in diesem dynamischen Forschungsfeld, welches unser Bild des Kosmos dauerhaft verändern wird.

Fokalebenen-Modul (FPM – Dreiecksform) und das Sensorsteuerelektronik (SEM)

Der FPM beherbergt die CHEOPS CCD-Detektoranordnung und die Front End-Elektronik (FEE). Im SEM (Sensorsteuerelektronik) befinden sich eine Stromversorgungseinheit und ein Prozessor, der zur Steuerung der FEE und zum Auslesen des CCDs verwendet wird. Leitfähige Wärmebänder auf der Rückseite des FPM bilden die thermische Verbindung zwischen dem FPM und den Kühlern, die den CCD auf seine Betriebstemperatur von -40 ºC kühlen.

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