Die neueste Methode der NASA zur Jagd auf Exoplaneten? Rekrutierung von Amateuren

Von all den großen, ehrgeizigen Zielen der Astronomie ist derzeit die Entdeckung und Charakterisierung von Exoplaneten, also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, eines der aufregendsten. Wir wissen, dass es wahrscheinlich so viele Exoplaneten wie Sterne im Universum gibt, und dass diese Zahl mit ziemlicher Sicherheit einige erdähnliche Planeten umfasst. Tatsächlich kratzen wir gerade erst an der Oberfläche der Entdeckung dieser seltsamen, neuen Welten.

Astronomen verfügen über Instrumente wie das hochmoderne James-Webb-Weltraumteleskop, die ihnen helfen, Exoplaneten zu identifizieren und in ihre Atmosphären zu blicken, aber diese großen, berühmten Teleskope bieten nur begrenzte Beobachtungszeit. Um bei der Suche nach neuen Exoplaneten zu helfen, greift die NASA auf eine ungenutzte Ressource zurück: Bürgerwissenschaftler.

Ein neu erweitertes NASA-Programm namens Exoplanet Watch lädt die Öffentlichkeit ein, bei der Beobachtung von Exoplaneten mit denselben Datenanalysemethoden zu helfen, die auch die Profis verwenden. Um mehr über die Funktionsweise und das Entdeckungspotenzial dieses Ansatzes zu erfahren, haben wir mit Rob Zellem vom NASA Jet Propulsion Laboratory gesprochen, einem Astrophysiker und Schöpfer des Exoplanet Watch-Programms.

Amateuraugen am Himmel

Angesichts der Tatsache, dass es mittlerweile über 5.000 bekannte Exoplaneten gibt, könnte man meinen, dass diese Planeten leicht zu beobachten sind. Aber das ist nicht der Fall. Die meisten Exoplaneten können nicht direkt beobachtet werden, da sie viel kleiner und schwächer sind als die Sterne, die sie umkreisen. Daher verlassen sich Amateurastronomen ebenso wie Profis auf indirekte Beobachtungen, um herauszufinden, ob es einen Planeten gibt.

Das Hauptaugenmerk von Exoplanet Watch liegt auf der Beobachtung einer Planetenart, die als heißer Jupiter bezeichnet wird – „große Planeten um helle Sterne“, wie Zellem sie beschreibt – und der Beobachtung ihrer Transite. Ein Transit findet statt, wenn einer der Planeten zwischen uns und seinem Mutterstern vorbeizieht und das Licht des Muttersterns vorübergehend schwächer wird. Indem sie den genauen Zeitpunkt und das Ausmaß dieses Helligkeitsabfalls beobachten, können Astronomen berechnen, wie groß der Planet ist und wie weit er von seinem Stern umkreist.

Dies ist die gleiche Methode, die von vielen professionellen Teleskopen zur Exoplanetenjagd verwendet wird, wie dem Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA oder dem Characterizing ExOPlanet Satellite (CHEOPS) der Europäischen Weltraumorganisation. Dies sind beide weltraumgestützte Teleskope, was bedeutet, dass sie einen großartigen Blick auf den Weltraum bieten, der nicht durch die Erdatmosphäre behindert wird, aber die Beobachtungszeit mit ihnen ist äußerst begrenzt.

Andere bodengestützte professionelle Teleskope beobachten ebenfalls Exoplaneten, stehen jedoch vor einem großen und unvorhersehbaren Hindernis: dem Wetter. Wenn der Himmel über einem Observatorium bewölkt ist, gehen die Beobachtungen einer ganzen Nacht verloren – etwas, mit dem jeder professionelle Astronom schon einmal zu tun hatte. „Es gibt viele Nächte, die ich persönlich aufgrund des Wetters im Südwesten der Vereinigten Staaten oder auf Mauna Kea auf Hawaii verloren habe“, sagte Zellem. „Das ist das Risiko, das man eingeht, wenn man Zeit an irgendeinem professionellen Observatorium bekommt.“

Exoplanet Watch hingegen ist ein Netzwerk von Amateurastronomen aus der ganzen Welt. Dadurch, dass Beobachter von so vielen verschiedenen Orten aus Messungen durchführen, werden die Auswirkungen des Wetters abgemildert. Selbst wenn es an einem Ort bewölkt ist, haben Beobachter an anderen Orten möglicherweise klare Sicht.

Weltweit zusammenarbeiten

Das Netzwerk ermöglicht auch die Beobachtung von Exoplaneten, die für einen einzelnen Benutzer unmöglich wären. Ein Gasriesen-Exoplanet namens HD 80606 b benötigt beispielsweise über 12 Stunden, um seinen Stern zu passieren. Astronomen müssen nicht nur die gesamte Dauer dieses Transits beobachten, sondern auch Beobachtungen vor und nach dem Transit machen, um sie als Basislinie zu verwenden, und es gibt einfach keine Nacht, die lang genug ist, um irgendwo anders auf dem Planeten die ganze Zeit zu beobachten die extremen Pole.

Im Dezember 2021 arbeiteten Mitglieder von Exoplanet Watch zusammen, um diesen vollständigen Transit von Anfang bis Ende zu beobachten, beginnend mit Benutzern in Ostasien, die ihre Beobachtungen dann an diejenigen in Indien, dann in Europa und dann in Nordamerika weitergaben, bevor sie zu Benutzern in zurückgingen Japan.

Die Daten aller dieser Beobachter über einen Zeitraum von 24 Stunden wurden zusammengeführt, um die entsprechenden Daten für ein Teleskop zu erhalten, das an einem Ballon befestigt war, der um die ganze Welt schwebte und dabei beobachtete.

Erleichterung der Beobachtung durch andere

Zellem und andere Mitglieder des Exoplanet Watch-Teams möchten sicherstellen, dass die Beiträge der Amateurastronomen, die an dem Projekt arbeiten, anerkannt werden, und viele wurden in wissenschaftlichen Publikationen über ihre Arbeit als Hauptautoren aufgeführt. Bei einem Großteil der Arbeit des Projekts geht es jedoch nicht um auffällige Schlagzeilen wie die Entdeckung brandneuer Exoplaneten, sondern darum, dass Menschen selbstlos ihre Zeit und Mühe investieren, um große wissenschaftliche Entdeckungen effizienter zu machen.

Nehmen Sie das James Webb-Weltraumteleskop. Dieses phänomenal leistungsstarke Teleskop kann nicht nur Exoplaneten identifizieren, sondern auch deren Atmosphären beobachten, was praktisch kein anderes Werkzeug in der Astronomie kann. Aber der Tag hat nur eine begrenzte Anzahl an Stunden und die Beobachtung der Zeit hat einen hohen Stellenwert.

„Professionelle Astronomen kamen zu uns und sagten: ‚Hey, da ist dieses Ziel, das ich in den nächsten Monaten mit James Webb beobachten möchte. Können Sie uns helfen, dieses Ziel zu beobachten und das Timing zu verfeinern?‘“, sagte Zellam.

Dann arbeiten die Amateurastronomen von Exoplanet Watch daran, die Einschränkungen für die Transitzeiten des Exoplaneten herauszufinden, damit Webb bei seinen Beobachtungen die bestmögliche Chance hat, den Transit zu sehen und so viele Informationen wie möglich über das Ziel zu erhalten.

„Exoplanet Watch kommt ins Spiel, indem es diese Vorprüfungen oder Vorbeobachtungen durchführt. Wir helfen dabei, das Timing zu verfeinern, damit wir James Webb effizienter nutzen und hoffentlich viel mehr wissenschaftliche Erkenntnisse daraus ziehen können“, erklärte Zellem.

Teleskope auf dem Dachboden

Viele der Menschen, die bisher zu Exoplanet Watch beigetragen haben, sind ernsthafte Amateurastronomen, die jahrelang beeindruckende Teleskope aufgebaut haben und über große Erfahrung in der Beobachtung von Exoplaneten verfügen. Dieses Maß an Engagement und Ausrüstung ist jedoch überhaupt nicht erforderlich, und Zellem und das Team heißen jeden willkommen, der daran interessiert ist, dabei zu sein.

Das kleinste bisher für Beobachtungen verwendete Teleskop ist nur 3,5 Zoll groß, was einer typischen Größe für ein kleines Einsteigerteleskop entspricht. Da die meisten Beobachtungen an hellen Objekten erfolgen, sind sehr leistungsstarke Heimteleskope nicht unbedingt erforderlich.

„Für diese Beobachtungen braucht man kein sehr großes Teleskop“, sagte Zellem. „Man kann tatsächlich viele Teleskope verwenden, die die Leute vielleicht auf dem Dachboden, in der Garage oder im Lagerraum hängen.“

Für Beobachter ist es hilfreich, eine Digitalkamera an ihrem Teleskop zu haben, um ihre Beobachtungen aufzuzeichnen, und einen Verfolgungsmechanismus, der dabei hilft, ein Ziel zu verfolgen, während es sich über den Himmel bewegt. Doch die Hürde für den Einstieg in das Projekt ist geringer, als Sie sich vorstellen können.

Und für diejenigen, die Angst haben, einen Fehler zu machen und die Daten zu verfälschen, sagt Zellam, dass eine Stärke von mehreren Benutzern darin besteht, dass Daten mit anderen Beobachtungen verglichen werden können: „Wenn Sie einen Benutzer haben, der versehentlich einen Fehler macht oder das Falsche verwendet.“ Wenn sie bei der Interpretation ihrer Daten Werte berücksichtigen, können diese Daten von der größeren Gruppe von Beobachtern aussortiert werden.“

Beitragen ohne Teleskop

Auch wer überhaupt keinen Zugang zu einem Teleskop hat, kann sich am Exoplanet Watch-Projekt beteiligen. Ein zweiter Zweig des Projekts ist neben den Beobachtungen die Datenanalyse. Das Projekt hat Zugriff auf Archivdaten, darunter 10 Jahre Daten eines 6-Zoll-Roboterteleskops, eines sogenannten autonomen Observatoriums in Tucson, Arizona. Die Daten wurden von einer Gruppe namens DIY Planet Search gespendet.

In diesem Datensatz gibt es über 2.000 Lichtkurven, die auf einen Exoplanetentransit hinweisen könnten, und die Öffentlichkeit ist eingeladen, bei dieser Datenanalyse mitzuhelfen. Das Besondere an diesem Projekt ist jedoch, dass es sich nicht um eine vereinfachte Art der Datenanalyse oder -klassifizierung handelt, wie es bei anderen Citizen-Science-Projekten wie denen auf Zooniverse der Fall ist. Stattdessen können Bürgerwissenschaftler genau dasselbe Datenverarbeitungsprogramm verwenden, das auch die Fachleute der NASA verwenden.

Professionelle Astronomen der NASA hatten bereits ein Jahrzehnt damit verbracht, ein Datenanalysetool namens Exotic zu entwickeln und zu verwenden, das so optimiert wurde, dass es für die Exoplanetenforschung so genau und nützlich wie möglich ist. „Und es wurde sehr deutlich, dass der beste Weg, um sicherzustellen, dass unsere Benutzer gute Ergebnisse mit ihren Daten erzielen, darin besteht, ihnen die Verwendung genau desselben Datentools zu ermöglichen“, sagte Zellem.

Das Tool wurde in die Cloud hochgeladen, um den Zugriff auch über ein Mobiltelefon zu erleichtern. Jetzt kann jeder, der Zeit und Interesse hat, lernen, wie man Exoplanetendaten mit denselben Tools wie die Profis verarbeitet. Sie durchlaufen jeden Schritt, von der Rohdatenaufnahme eines Teleskops bis zur Bestimmung der Merkmale eines beobachteten Exoplaneten.

Die nächste Generation inspirieren

Für professionelle Astronomen ist es von entscheidender Bedeutung, Hilfe bei Beobachtungen und Datenanalysen zu erhalten, aber das Projekt zielt auch darauf ab, mehr Menschen in das Feld zu bringen.

„Als Citizen-Science-Projekt haben wir wissenschaftliche, aber auch pädagogische Ziele“, sagte Zellem, „um die nächste Generation von MINT-Lernenden zu inspirieren, Leute, die hoffentlich in die Astronomie gehen.“

Dazu gehört die Einbindung der leidenschaftlichen und fähigen Amateurastronomie-Gemeinschaft, aber auch die Gewinnung neuer Leute, die bisher möglicherweise wenig oder gar keine Erfahrung mit dieser Art von Wissenschaft hatten.

„Wir beziehen Leute ein, die noch nie Exoplaneten fotografiert, noch nie Astrofotografie gemacht oder auch nur durch ein Teleskop geschaut haben“, sagte Zellem. Die erfahreneren Gruppenmitglieder unterrichten und leiten die neueren Mitglieder in der Slack-Gruppe des Projekts, unterstützen sich gegenseitig und helfen ihnen beim Lernen. „Es ist eine wirklich tolle Gruppe von Menschen und ich bin so stolz auf sie.“

Ein goldenes Zeitalter der Exoplanetenforschung

Das Exoplanet Watch-Projekt wird kontinuierlich erweitert, wobei ständig neue Datenquellen zum Pool hinzugefügt werden, sodass es immer etwas Neues gibt, an dem die Leute arbeiten können. Aber Zellem möchte es noch weiter ausbauen und die Grenzen dessen erweitern, was mit kleineren Teleskopen beobachtet werden kann.

Ein Plan besteht darin, herauszufinden, ob genügend kleine Teleskope zusammenarbeiten, um kleinere Planeten, beispielsweise die sogenannten Supererden, zu beobachten. Ein weiteres langfristiges Ziel besteht darin, in einem Prozess namens Sternvariabilitätsüberwachung mehr Beobachtungen von Wirtssternen durchzuführen, was zu genaueren Messungen von Exoplanetentransiten beitragen kann.

Da jeden Monat mehr Exoplaneten entdeckt werden, ist das Potenzial für Entdeckungen sowohl für professionelle als auch für Amateurastronomen grenzenlos.

„Es fühlt sich wirklich an, als befänden wir uns in einem goldenen Zeitalter der Exoplanetenforschung, und es ist unglaublich und macht viel Spaß, in diesem Bereich arbeiten zu können“, sagte Zellam. „Und ich glaube wirklich, dass Citizen Science weiterhin einen großen Teil davon ausmachen wird.“