Dem Berner theoretischen Astrophysiker Kevin Heng gelang ein seltenes Kunststück: Auf dem Papier löste er das mathematische Problem der Berechnung der Lichtreflexion von Planeten und Satelliten. Die Daten lassen sich nun auf einfache Weise interpretieren, um beispielsweise Planetenatmosphären zu verstehen.
Seit Jahrtausenden beobachtet die Menschheit die wechselnden Mondphasen. Der Anstieg und Abfall des vom Mond reflektierten Sonnenlichts, wie es aus verschiedenen Winkeln vor uns erscheint, wird als "Phasenkurve" bezeichnet. Die Messung der Phasenkurven des Mondes und der Planeten des Sonnensystems ist ein uralter Zweig der Astronomie, der mindestens hundert Jahre alt ist. Die Formen dieser Phasenkurven enthalten Informationen über die Oberflächen und Atmosphären dieser Himmelskörper. Heutzutage messen Astronomen die Phasenkurven von Exoplaneten mit Weltraumteleskopen wie Hubble, Spitzer, TESS und CHEOPS. Diese Beobachtungen werden mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Dies erfordert ein Verfahren zur Berechnung dieser Phasenkurven. Dabei geht es um die Lösung eines mathematischen Problems der Strahlungsphysik.
Das Problem der Berechnung des von den Planeten des Sonnensystems reflektierten Lichts wurde von dem amerikanischen Astronomen Henry Norris Russell in einer einflussreichen Arbeit von 1916 gestellt. Durch die Kombination der Ideen aus der Lösung seiner Vorgänger – maßgebliche Wissenschaftler – konnte Heng mathematische Lösungen für das Reflexionsvermögen (Albedo) und die Form der Phasenkurve niederschreiben, und zwar vollständig auf Papier und ohne die Hilfe eines Computers . Das Innovative an diesen Lösungen ist, dass sie für jedes Kartierungsrecht gelten und somit sehr allgemein einsetzbar sind. Der entscheidende Moment kam, als der Wissenschaftler seine Berechnungen auf Papier mit dem verglich, was andere Forscher mit Computerberechnungen gemacht hatten. Und war erstaunt, wie gut sie zusammenpassten.
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„Ich freue mich nicht nur über die Entdeckung einer neuen Theorie, sondern auch über ihre wichtigen Implikationen für die Dateninterpretation“, sagt Heng. Zum Beispiel hat die Raumsonde Cassini in den frühen 2000er Jahren Jupiters Phasenkurven gemessen, aber zuvor war keine eingehende Analyse dieser Daten durchgeführt worden, wahrscheinlich weil die Berechnungen zu rechenintensiv waren. Unter Verwendung des neuen Lösungssystems war Heng in der Lage, Cassinis Phasenkurven zu analysieren und zu dem Schluss zu kommen, dass Jupiters Atmosphäre mit Wolken gefüllt ist, die aus großen, unregelmäßigen Partikeln unterschiedlicher Größe bestehen. Diese Parallelstudie wurde gerade in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Durch die Möglichkeit, die mathematischen Lösungen der Phasenkurven des Auflichts auf Papier zu notieren, können sie in Sekundenschnelle für die Datenanalyse verwendet werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Interpretation von Daten, die bisher nicht möglich waren. Heng arbeitet mit Pierre Osler-Desrotour vom Pariser Observatorium zusammen, um diese mathematischen Lösungen weiter zu verallgemeinern.
Heng und seine Co-Autoren haben einen neuen Weg zur Analyse der Phasenkurve des Exoplaneten Kepler-7b demonstriert, die mit dem Kepler-Weltraumteleskop aufgenommen wurde. Brett Morris leitete einige der Datenanalysearbeiten. Sie arbeiten derzeit mit Wissenschaftlern des US-Weltraumteleskops TESS zusammen, um die Daten der TESS-Phasenkurve zu analysieren. Heng sagt voraus, dass diese neuen Lösungen zu neuen Wegen der Analyse von Phasenkurvendaten des kommenden James-Webb-Weltraumteleskops führen werden, dessen Start für 2021 geplant ist. „Was mich am meisten freut, ist, dass diese mathematischen Lösungen noch lange nach meinem Tod relevant bleiben und vielleicht in Standardlehrbücher eingehen werden“, sagte Heng.
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