Ein Ring, der "nicht existieren sollte", erschien im Sonnensystem

Während einer Pause von ihren Beobachtungen von Planeten, die andere Sterne umkreisen, hat die Cheops-Mission (Characterising ExOPlanet Satellite) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) einen entscheidenden Beitrag zur Entdeckung eines unerwartet dichten Materialrings um einen Zwergplaneten in unserem Sonnensystem geleistet.

Die neu entdeckten Ringe befinden sich in einer Entfernung, die fast dem 7,5-fachen Radius des Zwergplaneten Quaoar entspricht, was die Astronomen vor ein neues Rätsel stellt: Warum verschmolz dieses Material nicht zu einem kleinen Satelliten?

Schematische Darstellung von Quaoar und seinem Ringsystem. Bildnachweis: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

So beobachten Sie weit entfernte Objekte im Sonnensystem

Astronomen entdeckten dieses unerwartete Ringsystem durch eine Reihe von Beobachtungen, die zwischen 2018 und 2021 durchgeführt wurden. Mithilfe mehrerer erdgebundener Teleskope und des weltraumgestützten Exoplanet Characterization Satellite (CESAT) konnten die Astronomen beobachten, wie Quaoar beim Vorbeiziehen vor ihnen kurzzeitig das Licht einer Reihe entfernter Sterne blockierte.

Dieses astronomische Ereignis wird als Bedeckung bezeichnet. Die Beobachtung der Lichtabnahme des verdeckten Sterns kann Aufschluss über die Größe und Form des verdeckenden Objekts geben und Aufschluss darüber geben, ob es eine Atmosphäre besitzt. Unerwarteterweise kam es vor und nach der Bedeckung zu zwei Helligkeitseinbrüchen, was auf die Existenz eines Ringsystems um Quaoar hindeutet. Aber diese Ringe sind ziemlich klein und sehr schwach.

Quaoar ist ein transneptunisches Objekt (TNO). Transneptunische Objekte, auch als Überseeobjekte bekannt, sind eine Reihe weit entfernter kleiner Himmelskörper. Wir kennen etwa 3.000 dieser Objekte. Wie der Name schon sagt, gibt es im äußeren Sonnensystem transozeanische Objekte mit einer durchschnittlichen Umlaufbahn, die größer ist als die große Halbachse des Neptun (30,1 AE). Pluto und Eris sind die größten bekannten transozeanischen Objekte. Mit einem geschätzten Radius von 555 km ist Quaoar das siebtgrößte bekannte TNO mit einem kleinen Satelliten namens Weywot, der einen Radius von etwa 80 km hat.

Die Untersuchung dieser Zwergplaneten ist nicht einfach, da sie klein und sehr weit entfernt sind. Quaoar selbst umkreist die Sonne in einer Entfernung, die fast 44-mal so groß ist wie die der Erde. Daher sind Bedeckungsereignisse besonders wertvolle Forschungsinstrumente. Bis vor kurzem war es für Astronomen allerdings schwierig, genau vorherzusagen, wann und wo sie auftreten würden.

Um eine Bedeckung zu beobachten, muss die Ausrichtung zwischen dem bedeckenden Objekt (in diesem Fall ein TNO), dem Stern und dem beobachtenden Teleskop sehr präzise sein. In der Vergangenheit war es fast unmöglich, diese strengen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, und wir konnten nicht garantieren, dass wir das Bedeckungsereignis beobachten konnten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das Lucky Star-Projekt des Europäischen Forschungsrats ins Leben gerufen. Koordiniert wird es von Bruno Sicardy, der Universität Sorbonne und dem Pariser Observatorium des Laboratory of Space Sciences and Astrophysics Instrumentation (LESIA) der PSL. Ziel ist es, bevorstehende Bedeckungsereignisse in Übersee vorherzusagen und die Beobachtung dieser Ereignisse durch professionelle und Amateur-Observatorien weltweit zu koordinieren.

Präzise Ausrichtung

Die Zahl der beobachteten Sternbedeckungen hat in letzter Zeit zugenommen, was größtenteils auf Datenbeiträge der ESA-Sternenkartierungsmission Gaia zurückzuführen ist. Gaia liefert äußerst präzise Daten zu den Positionen von Sternen und macht die Vorhersagen des LuckyStar-Teams dadurch noch sicherer.

Kate Isaak, ESA-Projektwissenschaftlerin für die Mission Exoplanet Characterization Satellite (ECS), war neugierig, ob Weltraumteleskope auch Bedeckungsereignisse erkennen können, und kontaktierte daher Isabella Pagano vom Astrophysikalischen Observatorium Catania, dem italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF), ein Mitglied des Missionsmanagementteams des Exoplanet Characterization Satellite (ECS) der ESA und Mitglied des LuckyStar-Projekts.

„Ich war etwas skeptisch, den Exoplanet Characterization Satellite hierfür zu verwenden“, gab Isabela zu. „Aber wir haben die Machbarkeit geprüft.“

Das Hauptproblem besteht darin, dass die Umlaufbahn des Satelliten aufgrund des Luftwiderstands im oberen Teil der Erdatmosphäre leicht verändert werden kann. Dies ist auf die unvorhersehbare Sonnenaktivität zurückzuführen, die die Erde trifft und eine Ausdehnung der Erdatmosphäre verursacht.

Tatsächlich waren die Vorhersagen nicht genau genug, als das Forschungsteam zum ersten Mal versuchte, mit EXOS ein Bedeckungsereignis mit Pluto zu beobachten, und es wurde keine Bedeckung beobachtet.

Nach einem zweiten Ausrichtungsversuch beobachteten sie Quaoar und stellten dabei die erste Bedeckung eines Sterns durch ein transozeanisches Objekt aus dem Weltraum fest.

Sehen Sie diesen Ring

Schematische Darstellung des Exoplaneten-Charakterisierungssatelliten. Bildquelle: ESA / ATG medialab

„Das Signal-Rausch-Verhältnis der EXOPAS-Daten ist erstaunlich“, sagte Isabella. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ein Maß dafür, wie stark das erkannte Signal im Verhältnis zum zufälligen Rauschen im System ist. EXOPAS bietet ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, da seine Beobachtungen nicht durch die untere Erdatmosphäre verzerrt werden.

Dieses hohe Signal-Rausch-Verhältnis war ausschlaggebend für die Identifizierung des Ringsystems von Quaoar. So konnten die Forscher ausschließen, dass der Helligkeitsabfall durch Störungen aus der Erdatmosphäre verursacht wurde. Durch die Kombination mehrerer sekundärer Detektionen mit erdgebundenen Teleskopen konnte festgestellt werden, dass sie durch ein Ringsystem um Quaoar verursacht wurden.

Bruno Morgado von der Universidade Federal do Rio de Janeiro in Brasilien leitete die Analyse und kombinierte Daten des Satelliten Exoplanet Characterization Explorer mit Daten großer professioneller Observatorien auf der ganzen Welt und von Amateur-Bürgerwissenschaftlern, die in den letzten Jahren verschiedene Sterne während Quaoar-Bedeckungsereignissen beobachtet haben. „Als wir alle Daten zusammenfügten, stellten wir fest, dass der Helligkeitsabfall nicht von Quaoar selbst verursacht wurde, sondern auf die Anwesenheit von Materie in einer Kreisbahn um ihn hindeutete. Sobald wir das erkannten, sagten wir: ‚Okay, wir sehen einen Ring um Quaoar.‘“ Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Die bekanntesten Ringsysteme sind die Ringe des Saturn. Saturn ist als Ringplanet bekannt, wobei eine Ansammlung von Staub und kleinen Monden den Äquator des Planeten umkreist. Die Ringe des Saturn sind optisch spektakulär, tatsächlich handelt es sich jedoch um ein sehr kleines Ringsystem mit einer Gesamtmasse von nur einem Drittel bis der Hälfte der Masse des Saturnmondes Mimas oder etwa der Hälfte der Masse des antarktischen Schelfeises der Erde.

Die Ringe von Quaoar sind viel kleiner als die des Saturn, aber genauso faszinierend. Es ist nicht das einzige bekannte Ringsystem um Zwergplaneten oder Asteroiden. Astronomen haben durch bodengebundene Beobachtungen zwei weitere entdeckt, einen um Chariklo und den anderen um Haumea. Das Einzigartige am Quaoar-Ring ist jedoch seine Lage im Verhältnis zum Quaoar selbst.

Jenseits der Roche-Grenze

Jeder Himmelskörper mit einem signifikanten Gravitationsfeld hat eine Grenze, innerhalb derer er in Stücke gerissen wird. Diese Grenze wird als Roche-Grenze bezeichnet. Innerhalb der Roche-Grenze würden theoretisch dichte Ringsysteme existieren, wie dies bei Saturn, Chiron und Haumea der Fall ist.

„Das Interessante an dieser Entdeckung um Quaoar ist, dass dieser Ring weiter außerhalb der Roche-Grenze liegt“, sagte Giovanni Bruno vom Astrophysikalischen Observatorium Catania, Italiens Nationalem Institut für Astrophysik.

Dies ist ein Rätsel, da sich ein Ring, der die Roche-Grenze überschreitet, gemäß der herkömmlichen Theorie innerhalb weniger Jahrzehnte zu einem kleinen Mond zusammenschließen würde. „Aufgrund unserer Beobachtungen muss die klassische Theorie, die besagt, dass kompakte Ringsysteme nur innerhalb der Roche-Grenze planetarer Körper existieren können, völlig revidiert werden“, sagte Giovanni.

Erste Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die extrem kalten Temperaturen von Quaoar möglicherweise dazu beitragen, dass Eispartikel nicht zusammenkleben. Es sind jedoch noch weitere Untersuchungen erforderlich.

„Die EXOPS-Beobachtungen spielten eine Schlüsselrolle bei der Bestätigung der Existenz eines Ringsystems um Quaoar und gingen bei der Anwendung hochpräziser Photometrie über die typischere Exoplanetenwissenschaft der Mission hinaus“, sagte Kate.

Während Theoretiker beginnen, herauszufinden, wie die Ringe von Quaoar existieren könnten, wird das LuckyStar-Projekt Quaoar und andere TNOs weiterhin beobachten, ihre physikalischen Eigenschaften messen, während sie das Licht ferner Sterne blockieren, und beobachten, wie viele andere TNOs ebenfalls Ringsysteme haben.

Der Satellit „Exoplanet Characterization Explorer“ wird zu seiner ursprünglichen Mission zurückkehren und die Untersuchung nahegelegener Exoplaneten fortsetzen.

Über den Exoplaneten-Charakterisierungssatelliten

Die ESA entwickelt diese Mission mit einem engagierten Konsortium unter der Leitung der Universität Bern in der Schweiz und mit wichtigen Beiträgen aus Österreich, Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, Portugal, Spanien, Schweden und dem Vereinigten Königreich.

Die ESA ist der Entwickler der Mission Exoplanet Characterization Explorer (ECO) und verantwortlich für die Beschaffung und Erprobung des Satelliten, seinen Start und die ersten Betriebsphasen, die Inbetriebnahme im Orbit sowie das Gastbeobachterprogramm, über das sich Wissenschaftler aus aller Welt für die Durchführung von Beobachtungen mit dem ECO-Satelliten bewerben können. Ein Konsortium aus elf ESA-Mitgliedsstaaten unter der Führung der Schweiz stellt die Grundfinanzierung der Mission sicher. Hauptauftragnehmer für die Konstruktion und den Bau des Raumfahrzeugs ist Airbus Defence and Space mit Sitz in Madrid, Spanien.