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Projekt: "Millimag"

Beobachtung des Transitplaneten Wasp-33b am 05. Jänner 2011



Nachdem wir durch die letzte Beobachtungskampagne von CY Aquarii viel über das Thema "Photometrie" gelernt und unsere Fähigkeiten auch beträchtlich verbessert hatten, kam die Idee auf, es mal mit einem Transitplaneten zu versuchen.

Ein Transitplanet ist ein Exoplanet, also ein Planet der einen fremden Stern umkreist. Das besondere an ihm ist, dass er bei seinem Umlauf immer wieder vor dem Stern vorbeizieht und ihn dabei bedeckt - eine Mini-Sonnenfinsternis. Das führt zu einem geringen Helligkeitsabfall von wenigen Prozent oder anders gesagt von wenigen Millimagnituden (mmag).

Die Herausforderung bestand gerade darin, die Genauigkeit der Photometrie so hoch zu treiben, dass dieser im mmag-Bereich liegende Effekt sichtbar wird. Neben einer großen Anzahl von Aufnahmen des Sterns für die Helligkeitsmessung (light frames) müssen auch Dunkel- und Hellbilder (Darkframes und Flatfieldframes) für die Kalibrierung der Aufnahmen gewonnen werden. Auch die Anforderung an die Nachführung sind hoch, damit das Licht des Sterns möglichst immer auf dieselben Pixel der Chips fällt. Systematische Effekte können so klein gehalten werden.

All diese Schritte hatten wir im Laufe des Herbst 2010 in unseren Beobachtungen von CY Aquarii bereits umgesetzt. Um Flatfields aufzunehmen legten wir uns eine Lichtfolie zu und um die Nachführung zu verbessern, stiegen wir auf das Programm CCDSoft für die Kamerasteuerung um.

Speziell für die Beobachtung von Transitplaneten schafften wir uns einen CBB-Filter (Clear with blocking blue) von Astrodon an. Dieser lässt ab 500 nm alle Wellenlängen des sichtbaren uns infraroten Lichtes passieren, er schneidet also lediglich den blauen Bereich des Lichtes ab. Dieser Filter ist von Vorteil, da die Erdatmosphäre blaues Licht streut. Sinkt der beobachtete Stern während der Beobachtung immer tiefer in Richtung Horizont, blicken wir durch eine zunehmend dickere Luftsäule. Dies führt dazu, dass der Blauanteil im Licht der Sterne mehr und mehr abnimmt. Da aber die Sterne im beobachteten Feld nicht alle gleich viel blaues Licht emittieren, würden manche Sterne stärker abgeschwächt als andere. Dies würde die differentielle Photometrie verfälschen und die aufgenommene Lichtkurve verzerren. Der beschriebene Effekt ist sehr klein, aber wir wollen schließlich einen Effekt im Millimag-Bereich nachweisen!!

Bei all unseren Vorüberlegungen hat uns das eBook "Exoplanet observing for amateurs" von Bruce Gary (http://brucegary.net/book_EOA/x.htm) sehr geholfen. Auch bei unserem Emailkontakt war er sehr freundlich und hilfsbereit. Ihm gebührt ein großes Lob und unser Dank!

Gegen Ende des Jahres 2010 erstellten wir eine Liste von gut geeigneten Kandidaten für eine Transitbeobachtung. Zur Zeit sind etwa 100 Transitplaneten bekannt, doch ihre Zahl wächst jährlich und wird vermutlich durch Verbesserungen in der Messtechnik bald explodieren. Wir wählten unsere Kandidaten aus der Liste der "Exoplanet Transit Database" (http://var2.astro.cz/ETD/). Als sich für den 5. Jänner gutes Wetter abzeichnete und auch der Mond nicht störte fiel die Wahl auf den Stern Wasp-33 mit seinem Transitplaneten Wasp-33b im Sternbild Andromeda. Der Stern ist einer der hellsten in der Liste und der erwartete Helligkeitsabfall war mit 15 mmag durchschnittlich.

Daten für Wasp-33:



Daten für Wasp-33b:



Der Planet ist also riesig und läuft sehr schnell um seinen Heimatstern. Auch die Oberflächentemperatur ist extrem hoch - höher als bei manchem Stern!

Da der Transitbeginn bereits für ca. halb 7 abends angekündigt war, mussten unsere Vorbereitungen hektisch erfolgen. Schließlich wurde es erst nach 5 ausreichend dunkel um Sterne zu sehen. Dann galt es das Teleskop aufzubauen und auszurichten, die Kamera anzuschließen und das Bild scharfzustellen. Dann musste Wasp-33 erst in einem Meer von Sternen gefunden werden! Und dann auch noch einen passenden Leitstern für die sorgfältige Nachführung... und eine passende Belichtungszeit... Aber ausnahmsweise lief alles glatt und mit den vereinten Kräften der inzwischen gut eingespielten Astrogruppe war bereits um 17:46 Uhr das erste Bild von Wasp-33 im Kasten.


Das Teleskop auf dem Schuldach. Foto vom 13.12.10 von Dominik Rainer.



Die Belichtungszeit wählten wir zu 35 s. Dies schien uns ein Signal zu liefern, welches an der oberen Grenze des linearen Bereichs unseres Aufnahmechips lag. So kann man vom digitalen Bild korrekt auf die Sternhelligkeit schließen und gleichzeit den unvermeidbaren statistischen Fehler gering halten.

Gebannt starrten wir auf den Laptop-Bildschirm und sahen, wie ein Bild nach dem anderen "hereinkam". Wir bemerkten, dass die Kalibration der Nachführung offenbar schlecht gemacht wurde, da alle Sterne länglich erschienen. Aber es war bereits zu spät um diese Prozedur jetzt noch zu wiederholen. Lange Minuten zeigte sich in der Lichtkurve nur das statistische Rauschen - die Spannung stie! Als sich gegen 18:40 Uhr die Lichtkurve tatsächlich langsam zu senken begann, war die Freude groß! Es klappte!!


Gespanntes Warten auf die Bilder.


Einzelbild auf dem Bildschrim.


ERFOLG: Ein deutlicher Helligkeitsabfall ist in der Lichtkurve zu sehen.

Nach der ersten Freude machten sich unsere leeren Mägen bemerkbar. Da keiner von uns zu Abend gegessen hatte, bot David Cont, Exschüler und Astrogruppen-Senior-Mitglied ehrenhalber, an, für uns im Lehrerzimmer zu kochen. Dieses Angebot nahmen wir dankend an und er besorgte im nahen M-Preis kurz vor Ladenschluss noch die Zutaten.

Inzwischen wagten wir eine kurze Unterbrechung der Aufnahmeserie und korrigierten unsere Kalibration der Nachführung. Die Sterne waren anschließend deutlich kreisförmiger. Also hatte auch diese Maßnahme gefruchtet.


Einzelnes "lightframe" der Serie. Wasp33 ist rot markiert, grün und blau sind Vergleichssterne mit (hoffentlich) konstanter Helligkeit.

Beim Kochen erhielt David von Jonas Verstärkung. Zwar war kein Salz vorhanden (auch nicht im Chemie-Labor) und statt Kochtöpfen gab es auch nur Milchhäfen, trotzdem wurden das Gericht recht schmackhaft. Der Schokoladepudding schlug die Nudelln allerdings um Längen...


David und Jonas beim Kochen.


Die Köche waren auch gleichzeitig die Vorkoster.


2 Kilogramm Nudeln für 6 Leute.


Auf den Erfolg mit Wasser anstossen...


... und mit Pudding.

Die Zeit nach dem Essen erforderte wieder einige Eingriffe, da der Stern langsam heller zu werden schien und damit drohte den linearen Bereich des Chips zu überschreiten. Wir reduzierten die Belichtungszeit sukzessive auf 30 Sekunden und später sogar auf 25 Sekunden.

Der Helligkeitsanstieg war aber nicht real, wie wir aufgrund der Lichtkurve erkannten. Alle Sterne im Feld wurden heller. Der Anstieg war wohl auf die sog. Fokusdrift zurückzuführen. Die Außentemperatur nahm ab und der Tubus des Teleskops zog sich zusammen. Das veränderte die Fokuslage leicht und zwar offenbar genau so, dass der Schärfe des Bildes besser wurde, d.h. das Licht der Sterns besser fokusiert war. Deshalb schienen die Sterne heller zu werden. Für uns bedeutete der Effekt leider, dass die Auswertung der Daten beträchtlich komplexer wurde... Generell gilt, dass eine permanente Aufstellung des Teleskops viele der Arbeitsgänge beträchtlich erleichtern würde. Unser Wort in Gottes Ohr...

Gegen 22 Uhr begannen wir mit den Kalibrationsaufnahmen, da Wasp33 schon merklich in Richtung Horizont abgesunken war und die Streuung in der Lichtkurve zunahm. 460 Bilder zu insgesamt 1,5 GB waren im Kasten, sodass wir uns gegen 23:00 Uhr mit einem schönen Erfolgserlebnis nach Hause begaben.


Die Lichtkurve mit dem besten passenden Fit. Oben die Rohdaten, unten ist der lineare Anstieg der Kurve, welcher durch die wachsende Extinktion im Blauen hervorgerufen wird eliminiert.


Die Residuen zeigen, dass der Fit gut zu unseren Daten passt.


Diese Kurve zeigt den Verlauf der sog. "airmass", also der Dicke der Luftsäule, durch die wir im Verlauf der Beobachtung beobachten mussten.