Big Data hilft bei der Aufklärung einiger Exoplaneten-Mysterien
Die Charakterisierung von Exoplaneten-Atmosphären ist der nächste große Fortschritt in diesem neuen Bereich. Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre kann nämlich wertvolle Hinweise auf die Entstehungs- und Evolutionsprozesse geben, die vermutlich für die Vielfalt der Exoplaneten in unserer Galaxie verantwortlich sind. Vor dem von der EU finanzierten Projekt ExoLights wurden Arbeiten mit der exoplanetarischen Atmosphärenspektroskopie Stück für Stück durchgeführt, mit einem oder auch zwei Spektren über einen engen Wellenlängenbereich zugleich. „Dieser Ansatz ist nicht dazu geeignet, Antworten auf wichtige Fragen der Exoplanetenwissenschaften zu finden“, sagt Koordinatorin Giovanna Tinetti. „Wir können diese grundlegenden Fragen nur durch eine umfassende spektrale Untersuchung von Exoplaneten in einer Vielzahl von Umgebungen beantworten.“
Eintritt in das Big-Data-Zeitalter der Exoplanetencharakterisierung
Das Team von ExoLights hat mehrere bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckungen gemacht und eine Infrastruktur aus quelloffenen numerischen Codes geschaffen, mit denen sehr viele exoplanetarische Atmosphären beobachtet und analysiert werden können. Im Jahr 2018 veröffentlichten die Teammitglieder das erste Verzeichnis mit 30 exoplanetarischen Atmosphären, die bisher erforscht wurden. „Diese Arbeit hat das gesamte Feld der exoplanetarischen Atmosphären von der Untersuchung einzelner Planeten auf die Charakterisierung von Planetengruppen erweitert“, ergänzt Tinetti. „Dieser Fokus auf die Analyse der Gruppen und die Infrastruktur zur Überwachung und Verarbeitung großer Datenmengen hat das gesamte Feld der Exoplanetencharakterisierung auf diese Ziele ausgerichtet.“ Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben einige Ergebnisse mit großer Tragweite erzielt. Eines davon ist die erste Analyse der Exoplaneten-Atmosphäre um eine Supererde herum. Ein weiteres ist der erste Nachweis von Wasserdampf in der Atmosphäre einer Supererde, die sich auch in der bewohnbaren Zone des Zentralgestirns bewegt.
Exotische exoplanetarische Welten auf einer neuen Ebene verstehen
Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass eine statistisch signifikante Anzahl von Planeten, etwa zwei Größenordnungen größer als die Stichprobe, deren Beobachtung in künftigen Mehrfachnutzungsanlagen erwartet wird, systematisch beobachtet werden muss, um Modelle vollständig testen und die relevanten physikalischen Parameter bestimmen zu können. „Dazu ist die Beobachtung einer hohen Zahl an Objekten erforderlich, in der Regel über einen langen Zeitraum, die nur mit speziellen Weltrauminstrumenten und nicht mit Mehrzweckteleskopen durchgeführt werden können, da diese oft nicht für die jeweilige Anwendung optimiert sind“, erläutert Tinetti. Das Projekt konzipierte und analysierte zunächst spezielle Raumfahrtmissionen und Observatorien wie ARIEL und Twinkle. „ExoLights hat die Arbeiten zur Planung und Durchführung solcher Missionen in Europa geleitet“, fügt sie hinzu. „Sie werden der globalen planetarischen und exoplanetarischen Gemeinschaft in den nächsten Jahren zugutekommen.“ Exolights hat auch zu Öffentlichkeitsarbeit und Bildungsinitiativen beigetragen. Das laufende Programm Original Research By Young Twinkle Students ist ein innovatives und äußerst erfolgreiches Bildungsprogramm, mit dem Sekundarschulen unter Begleitung von Doktorandinnen und Doktoranden sowie anderen jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der eigentlichen Forschung in Verbindung mit der Weltraummission Twinkle arbeiten können. Das 2019 ins Leben gerufene Programm ARIEL Data Challenge Series vereint professionelle und Amateur-Datenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler. Sie haben mit maschinellem Lernen gearbeitet, um das Rauschen aus Exoplanetenbeobachtungen zu entfernen, das durch Sternenflecken und die Instrumentierung verursacht wird. Über 100 internationale Teams haben 2019 am Wettbewerb zu maschinellem Lernen, ausgerichtet von der ARIEL Data Challenge, teilgenommen. „Exolights hat eine Open-Source-Infrastruktur für die Bobachtung, Analyse und Interpretation der Atmosphäre von Exoplaneten geschaffen, die es ermöglicht, eine sehr große und vielfältige Probe für die nächsten 10 Jahre zu untersuchen“, schließt Tinetti. „Die entwickelten Open-Source-Tools, die geplanten und derzeit durchgeführten Raumfahrtmissionen und die veröffentlichten wissenschaftlichen Ergebnisse werden das Erbe dieses Projekts sein.“
Schlüsselbegriffe
ExoLights, Exoplaneten, Exoplanetenatmosphären, große Datenmengen, Exoplanetencharakterisierung, Spektren, Supererde