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Eine Illustration zeigt Exoplaneten und Sterne, die von der Variabilität ihrer Sterne beeinflusst werden (Bildnachweis: Alexandra Thompson)

Eine neue Studie hat ergeben, dass temperamentvolle Sterne, die sich innerhalb weniger Stunden aufhellen und abdunkeln, den Blick der Astronomen auf Tausende von Planeten außerhalb des Sonnensystems verstellen könnten.

Das Forschungsteam kam zu dieser Schlussfolgerung, indem es 20 extrasolare Planeten oder „Exoplaneten“ unter Verwendung des Hubble-Weltraumteleskops untersuchte, während sie die Oberflächen ihrer Muttersterne kreuzten oder „transitierten“. Dabei zeigte sich, dass Schwankungen des Sternenlichts, die durch heißere und kältere Regionen auf der Oberfläche der Sterne verursacht werden, die Interpretation der Atmosphären von Exoplaneten stärker verzerren als bisher angenommen.

Das Team stellte zu seiner Überraschung fest, dass die Daten von etwa der Hälfte der 20 untersuchten Planeten, die von neptunähnlichen Welten bis hin zu aufgeblasenen heißen Jupiterplaneten reichten, durch die Veränderlichkeit ihrer Wirtssterne beeinträchtigt wurden. Dies ist eine besorgniserregende Entwicklung, denn wenn diese Schwankungen in der Sternhelligkeit nicht berücksichtigt werden, könnten die Wissenschaftler eine Reihe von Dingen über Exoplaneten falsch einschätzen, einschließlich ihrer Größe, Temperatur und der Zusammensetzung ihrer Atmosphären.

„Diese Ergebnisse waren eine Überraschung – wir haben eine stärkere stellare Kontamination unserer Daten gefunden, als wir erwartet hatten. Das ist für uns wichtig zu wissen“, sagte die Leiterin des Teams und Forscherin des University College of London (UCL), Arianna Saba, in einer Erklärung gegenüber kosmischeweiten.de. „Indem wir unser Verständnis darüber verfeinern, wie die Variabilität von Sternen unsere Interpretationen von Exoplaneten beeinflussen könnte, können wir unsere Modelle verbessern und die viel größeren Datensätze, die von Missionen wie dem James Webb Space Telescope (JWST), Ariel und Twinkle kommen werden, intelligenter nutzen.“

Kunstwerk, das Weltraumteleskope zeigt, die einen Planeten beim Umkreisen seines Sterns untersuchen. Empfangen sie kontaminierte Daten? (Bildnachweis: Alexandra Thompson)

Einige Sterne blasen heiß und kalt

Transite sind ein äußerst wichtiges Element der Exoplanetenforschung.

Wenn Planeten von der Erde aus gesehen vor ihren Muttersternen vorbeiziehen, verursachen sie eine winzige Delle in der Menge des Sternenlichts, das wir von diesen Sternen empfangen. Diese Einbrüche können genutzt werden, um einen umlaufenden Planeten zu entdecken, und die Zeitspanne zwischen den Lichteinbrüchen kann den Wissenschaftlern helfen, zu bestimmen, wie lange die neu entdeckte Welt braucht, um ihren Stern zu umkreisen.

Durch die Analyse des Sternenlichts, das die Atmosphäre eines Planeten durchdringt, können die Forscher außerdem die Zusammensetzung dieser Atmosphäre ermitteln. Dies ist möglich, weil Elemente Licht bei verschiedenen charakteristischen Wellenlängen absorbieren. Wenn also das Sternenlicht eine Planetenatmosphäre durchdringt, hinterlassen die Elemente in dieser Atmosphäre ihre Fingerabdrücke in diesem Licht. Die Wissenschaftler lesen diese chemischen Fingerabdrücke mit einer Methode, die „Spektroskopie“ genannt wird. Wenn die Wissenschaftler jedoch das Sternenlicht falsch deuten, könnten die Daten über Planetenatmosphären und sogar einige mit der Transitmethode entdeckte Exoplaneten in Gefahr sein.

Eine Illustration eines Exoplaneten und seiner Atmosphäre, während er die Oberfläche seines Muttersterns durchquert (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

„Wir erfahren etwas über Exoplaneten durch das Licht ihrer Wirtssterne, und manchmal ist es schwer zu unterscheiden, was ein Signal des Sterns ist und was vom Planeten kommt“, sagt Alexandra Thompson, Mitglied des Teams und Forscherin am UCL. „Einige Sterne könnte man als ‚fleckig‘ bezeichnen – sie haben einen größeren Anteil an kälteren Regionen, die dunkler sind, und heißeren Regionen, die heller sind, auf ihrer Oberfläche. Dies ist auf eine stärkere magnetische Aktivität zurückzuführen.“

Sie erklärte, dass diese helleren Regionen, die sogenannten „Faculae“, mehr Licht aussenden. Wenn also ein Planet vor dem heißesten Teil des Sterns vorbeizieht, könnte dies dazu führen, dass die Forscher die Größe des Planeten überbewerten. Dies liegt daran, dass der Planet mehr Licht des Sterns zu blockieren scheint, oder die Wissenschaftler könnten daraus schließen, dass der Planet heißer ist, als er tatsächlich ist, oder dass er eine dichtere Atmosphäre hat, als er tatsächlich hat.

Thompson fügte hinzu, dass auch der umgekehrte Fall eintreten kann: Wenn der Planet vor dem kalten Fleck eines Sterns vorbeizieht, könnte dies dazu führen, dass die Welt kleiner erscheint, als sie tatsächlich ist.

„Die Verringerung des von einem Sternfleck ausgestrahlten Lichts könnte sogar den Effekt eines Planeten imitieren, der vor einem Stern vorbeizieht, was dazu führt, dass man einen Planeten vermutet, obwohl es keinen gibt“, sagte Thompson. „Deshalb sind Nachbeobachtungen so wichtig, um die Entdeckungen von Exoplaneten zu bestätigen. Diese Schwankungen des Sterns können auch die Schätzungen verzerren, wie viel Wasserdampf sich beispielsweise in der Atmosphäre eines Planeten befindet. „Das liegt daran, dass die Schwankungen die Signatur des Wasserdampfs im Muster des Lichts bei verschiedenen Wellenlängen, das unsere Teleskope erreicht, nachahmen oder verdecken können.“

Einige Hilfe von Hubble

Um diesen potenziellen Effekt zu untersuchen, griffen Saba, Thompson und Kollegen auf 20 Jahre Hubble-Beobachtungen zurück, die mit den Instrumenten STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) und WFC3 (Wide Field Camera 3) des langjährigen Weltraumteleskops gesammelt wurden. Das Team analysierte Daten im sichtbaren, nahen Infrarot- und nahen Ultraviolettbereich von 20 Exoplanetensystemen auf die gleiche Weise, um Verzerrungen zu minimieren, die bei anderen Studien auftreten können. Unter Berücksichtigung von Modellen, die die stellare Variabilität berücksichtigen, und Modellen, die dies nicht tun, untersuchten die Forscher die Kombinationen von Sternenlicht- und Atmosphärenmodellen, die am besten zu den gewonnenen Daten passten. Dabei stellte sich heraus, dass 6 der 20 Exoplaneten mit Modellen, die Schwankungen im Licht ihrer Muttersterne berücksichtigen, besser charakterisiert wurden. Über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg, das das Team untersuchte, waren die durch die stellare Variabilität verursachten Verzerrungen im sichtbaren Licht und im nahen UV-Bereich viel deutlicher als im Infrarotbereich.

Die Ergebnisse des Teams haben zwei Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich die Variabilität des Sternenlichts auf die Beobachtung von Exoplaneten auswirken könnte: „Eine Möglichkeit besteht darin, die Gesamtform des Spektrums zu betrachten – d. h. das Muster des Lichts bei verschiedenen Wellenlängen, das vom Stern durch den Planeten hindurchgetreten ist -, um zu sehen, ob dies allein durch den Planeten erklärt werden kann oder ob eine stellare Aktivität erforderlich ist“, so Saba. „Die andere Möglichkeit besteht darin, zwei Beobachtungen desselben Planeten im optischen Bereich des Spektrums zu machen, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. „Wenn diese Beobachtungen sehr unterschiedlich sind, ist die wahrscheinliche Erklärung eine variable stellare Aktivität.“

Die Ergebnisse des Teams sollen in der Reihe The Astrophysical Journal Supplement Series veröffentlicht werden und sind als Vorabdruck auf der Forschungsdatenbank arXiv verfügbar.