14.12.2021 | Forschung | Umwelt & Materie

Forschen mit dem Zehn-Milliarden-Weltraumteleskop

Yann Alibert und Matthew Hooton fiebern dem geplanten Start des James Webb Space Telescope (JWST) am 22. Dezember 2021 entgegen. Im Interview erzählen die beiden Astrophysiker von der Universität Bern, wie sie es geschafft haben, Beobachtungszeit mit dem JWST zu ergattern und was das mit CHEOPS zu tun hat.

Interview: Brigit Bucher

Könnt Ihr bitte in einfachen Worten erklären, worum es bei Eurer Forschung im Allgemeinen geht?

Yann Alibert: Ich untersuche, wie Planeten und Planetensysteme entstehen und wie sie sich entwickeln. Ich bin hauptsächlich Theoretiker und arbeite mit Berechnungen, um zum Beispiel Vorhersagen über das Innere von Exoplaneten und ihre Zusammensetzung zu machen – von Planeten also, die ausserhalb unseres Sonnensystems um einen anderen Stern als die Sonne kreisen.

Matthew Hooton: Ich beobachte Exoplaneten und genauer gesagt die Transite von Exoplaneten: Wenn ein Planet eine Umlaufbahn hat, die zwischen seinem Stern und uns, die wir ihn beobachten, verläuft, wird ein Teil des Lichts des Sterns durch den vorbeiziehenden Planeten blockiert. Durch die Messung dieses Anteils des blockierten Lichts können wir einige Dinge über den Planeten und den Stern herausfinden. Es gibt uns auch Hinweise darauf, wie die Atmosphäre eines Exoplaneten beschaffen ist.

Warum sind die Atmosphären von Exoplaneten so interessant?

Yann Alibert: Nun, es ist natürlich nicht möglich, zu Exoplaneten zu reisen, da sie schlicht zu weit entfernt sind. Alles, was wir über Exoplaneten wissen, wissen wir, weil wir ihre Atmosphären studieren. Wenn wir diese Planeten verstehen wollen, wie sie entstanden sind und sich entwickelt haben, müssen wir also ihre Atmosphären verstehen.

Matthew Hooton: Wie bereits erwähnt, nutzen wir die Transite, um etwas über die Atmosphäre eines Exoplaneten zu erfahren. Ein Teil des Lichts des Sterns wird durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert, wenn er vor dem Stern vorbeizieht. Analysiert man dieses gefilterte Licht, lassen sich Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten ziehen, denn verschiedene Atome und Moleküle in den Atmosphären hinterlassen erkennbare «Fingerabdrücke» im Licht. Wir können die unterschiedlichen Häufigkeiten verschiedener Moleküle, wie zum Beispiel Wasser, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid herausfinden. Mit Hilfe ausgeklügelter Atmosphärenmodelle vergleichen wir die Häufigkeiten der Moleküle in den Atmosphären der Planeten eines Systems miteinander und erhalten so Informationen darüber, wo in der sogenannten protoplanetaren Scheibe die Planeten ursprünglich entstanden sind.

Diese Animation zeigt eine Darstellung der Bahnen und Bewegungen der Planeten im System TOI-178. In dieser künstlerischen Animation wird die rhythmische Bewegung der Planeten um das Zentralgestirn durch eine musikalische Harmonie dargestellt, die dadurch entsteht, dass jedem der Planeten in der Resonanzkette eine Note (in der pentatonischen Tonleiter) zugeordnet wird. Diese Note erklingt, wenn ein Planet entweder eine volle oder eine halbe Umlaufbahn vollendet; wenn sich die Planeten an diesen Punkten ihrer Umlaufbahn ausrichten, läuten sie in Resonanz. © ESO
Ihr wart an einer Studie beteiligt zu einem einzigartigen Planetensystem beteiligt, das mit CHEOPS entdeckt wurde.

Matthew Hooton: Drei Planeten TOI-178-System wurden ursprünglich vom Satelliten TESS identifiziert. Wir haben das Planetensystem dann elf Tage lang ununterbrochen mit CHEOPS beobachtet, weil es uns so spannend erschien. Dadurch konnten wir die Umlaufzeiten der bekannten Planeten um den Stern korrekt bestimmen und haben drei bis dahin unbekannte Planeten entdeckt, wodurch sich die Gesamtzahl der bekannten Planeten im TOI-178-System auf sechs erhöhte. Die Umlaufperioden dieser Planeten folgen einem ganz bestimmten Muster. Dies bewirkt, dass die Planeten ungewöhnlich starke Gravitationskräfte aufeinander ausüben.

Yann Alibert: Das ist ziemlich selten, und was die Entstehung der Planeten angeht, so braucht es eine ganz besondere Geschichte, damit das System so aussieht. Und der andere Grund, warum das System so interessant ist, ist, dass es ein unregelmässiges Muster in der Dichte der Planeten gibt. Normalerweise ist die Dichte eines Planeten umso geringer, je weiter er von seinem Stern entfernt ist. Dies ist bei TOI-178 nicht der Fall. Wenn man also diese beiden Dinge zusammennimmt, ist es wirklich schwer zu erklären, wie dieses System entstanden ist.

Jetzt habt Ihr Beobachtungszeit mit dem James Webb Space Telescope (JWST) erhalten, um dieses aussergewöhnliche System weiter zu studieren.

Yann Alibert: Wie bereits erwähnt, wissen wir bereits eine Menge über das System. Die Beobachtungen mit JWST werden darüber hinaus Informationen über die Zusammensetzung von drei der Planeten des TOI-178-Systems liefern.

Matthew Hooton: Wir werden den Transit von drei der Planeten in diesem System beobachten. Jede Beobachtung wird etwa sechs oder sieben Stunden dauern. Das wird uns Informationen über die Atmosphären von drei Planeten liefern, die sich an verschiedenen Punkten des Systems befinden.

Ihr müsst absolut begeistert sein, mit dem JWST arbeiten zu können.

Matthew Hooton: Wir hatten keine sehr hohen Erwartungen, weil sich viele Leute um Beobachtungszeit beworben haben. Und natürlich waren deren Vorschläge für wissenschaftliche Beobachtungen auch sehr gut. Ich habe in der Vergangenheit schon einige Anträge für Beobachtungszeit für verschiedene Teleskope eingereicht. Aber das JWST ist einfach auf einem anderen Niveau. Wir haben über wissenschaftliche Fragen nachgedacht, die wir mit dem JWST beantworten könnten. Wir hatten nicht nur ein wirklich interessantes System, in dem merkwürdige physikalische Vorgänge ablaufen. Das Planetensystem ist auch sehr günstig für Beobachtungen. Wir mussten dann die technischen Aspekte und die genaue Strategie, die wir für die Beobachtungen vorschlagen wollten, bis ins kleinste Detail ausarbeiten. Wir haben dann Leute aus dem gesamten CHEOPS-Team hinzugezogen, die über das entsprechende Fachwissen verfügen, um zu definieren, was realistisch ist. Wir denken, dass wir die Daten frühestens nächstes Jahr um diese Zeit, also in der zweiten Hälfte des Jahres 2022, erhalten werden.

Könnte man also sagen, dass Ihr dank CHEOPS in der Lage wart, Beobachtungszeit mit dem JWST zu erhalten?

Yann Alibert: Das Wichtigste beim JWST ist, dass wir im Voraus genau wissen, was wir wann beobachten wollen. Dank CHEOPS kennen wir die Bahnen der Planeten im TOI-178-System genau und wissen, wann ihre Transite stattfinden werden. Dies ist in der Tat ein guter Beweis dafür, warum CHEOPS so wichtig ist. Dank der Flexibilität und hohen Präzision von CHEOPS konnten wir TOI-178 als ein interessantes System bestätigen, das nun mit dem JWST beobachtet werden kann. Mit dem JWST will man nicht einmal eine Stunde mit dem Warten auf einen Planetentransit vergeuden. Zeit ist sehr kostbar, wenn es um etwas geht, das Milliarden kostet, um es im Weltraum zu platzieren.

Die Arbeit mit dem JWST scheint ein wahr gewordener Traum zu sein. Yann hat mir einmal erzählt, dass er als Kind davon geträumt hat, Astronaut zu werden, wie es viele Astrophysiker tun. Was ist mit dir, Matthew?

Matthew Hooton: Es ist ein bisschen peinlich, aber um ehrlich zu sein, muss auch ich irgendwann davon geträumt haben. Aber die Fähigkeiten, die man braucht, um Astronaut zu werden, wären zum Beispiel, ein sehr guter Soldat zu sein oder sehr gut Flugzeuge fliegen zu können. Ich glaube, mir ist bewusst geworden, dass Astronauten vor allem Befehle befolgen müssen. Das ist auf einer gewissen Ebene weniger interessant als das, was wir tun. Wir können uns die interessanten Fragen ausdenken, die wir beantworten wollen. Ich denke, dass einer der reizvollsten Aspekte eines Jobs in der Forschung darin besteht, dass wir entscheiden können, was wir für interessant halten, und unsere Zeit damit verbringen, dem nachzugehen und zu versuchen, Antworten zu finden. Obwohl ich zugeben muss, dass es wohl schon Spass macht, als Astronaut ins All zu fliegen.

ÜBER YANN ALIBERT

Yann Alibert ist theoretischer Astrophysiker und der Erfinder des «Berner Modells» zur Berechnung der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen. Er studierte an der Ecole Normale Supérieure de Lyon (Frankreich) Mathematik und theoretische Physik, bevor er in theoretischer Astrophysik promovierte. Nach seiner Promotion zog er nach Bern, wo er 2009 das erste Schweizer ERC-Stipendium in Astronomie erhielt. Seither war er massgeblich am Aufbau und Betrieb des NCCR PlanetS beteiligt. Heute ist er Professor an der Universität Bern, Projektleiter und Science Officier im NCCR PlanetS.

Kontakt:

Prof. Dr. Yann Alibert
Universität Bern, Physikalisches Institut, Weltraumforschung & Planetologie (WP)
E-Mail: yann.alibert@unibe.ch

ÜBER MATTHEW HOOTON

Matthew Hooton ist seit zwei Jahren als Postdoc am Physikalischen Institut der Universität Bern tätig. Nach seinem Physikstudium an der University of Warwick in England promovierte er an der Queen's University Belfast in Nordirland, wo er mit bodengebundenen Teleskopen die Atmosphären von heissen Jupitern untersuchte. Seit er nach Bern gekommen ist, analysiert er vor allem Daten der CHEOPS-Mission, wobei er sich besonders auf die Charakterisierung von kompakten Mehrplanetensystemen und grossen Planeten, die heiße Sterne umkreisen, konzentriert. Anfang dieses Jahres bewarb sich ein von Matthew Hooton geleitetes Team erfolgreich um Zeit am James-Webb-Weltraumteleskop, um Beobachtungen durchzuführen, die die dynamische Geschichte und die Atmosphären des Systems TOI-178 untersuchen werden. Diese werden voraussichtlich Ende nächsten Jahres stattfinden.

Kontakt:

Dr. Matthew Hooton
Universität Bern, Physikalisches Institut, Weltraumforschung & Planetenwissenschaften (WP)
E-Mail: yann.alibert@unibe.ch

BERNER WELTRAUMFORSCHUNG: SEIT DER ERSTEN MONDLANDUNG AN DER WELTSPITZE

Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster grosser Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.

Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei: Die Universität Bern nimmt regelmässig an Weltraummissionen der grossen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS oder JAXA teil. Mit CHEOPS teilt sich die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission. Zudem sind die Berner Forschenden an der Weltspitze mit dabei, wenn es etwa um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.

Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalsfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

Zur Autorin

Brigit Bucher arbeitet als Leiterin Media Relations und ist Themenverantwortliche «Space» in der Abteilung Kommunikation & Marketing an der Universität Bern.