Totale Mondfinsternis: Beobachtung der Erde als Transitplanet
Die Sonne vom Tycho-Krater auf dem Mond aus gesehen. Während die Sonne hinter dem Nordpazifik untergeht, verschwindet ihre Scheibe bei einer Mondfinsternis vollständig hinter der Erde.
Bild: AIP/K. Strassmeier/J. FohlmeisterEin internationales Forschungsteam untersuchte während einer Mondfinsternis durch die Erdatmosphäre scheinendes Sonnenlicht – analog zur Erforschung entfernter Exoplaneten. In dem von der Atmosphäre gefilterten und vom Mond reflektierten Licht gelang zum ersten Mal mit dieser Methode der Nachweis von Natrium, Calcium und Kalium in der Erdatmosphäre.
Zieht ein Exoplanet vor seinem Stern vorüber, scheint ein Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten. Obwohl der Einfluss des Planeten auf das Sternenlicht nur sehr gering ist, enthält es auch das chemische und physikalische Signal seiner Atmosphäre. Die Messung der atmosphärischen Bestandteile wird in der Astrophysik als Transmissionsspektroskopie bezeichnet. Sie ist eine relativ neue, aber erfolgsversprechende Methode. Bereits eine Vielzahl von Exoplanet-Transiten ließen sich damit nachweisen. „Die Untersuchungen finden jedoch bisher nur Anwendung bei übergroßen Jupiter-ähnlichen Planeten, die ihren Stern sehr nah umkreisen. Noch mehr sind wir freilich an Transits von erdähnlichen Planeten interessiert und daran, ob wir komplexere molekulare Signaturen, die möglicherweise sogar auf Leben hindeuten, nachweisen können“, berichtet der leitende Autor der jetzt veröffentlichten Studie, Klaus Strassmeier, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP). „Eine totale Mondfinsternis, die sich von unserem eigenen Mond aus gesehen als totale Sonnenfinsternis darstellt, ist aber nichts anderes als ein Transit unserer eigenen Erde vor der Sonnenscheibe und indirekt beobachtbar.“
Das Sonnenlicht, das durch die Erdatmosphäre dringt, bevor es der Mond zurück zur Erde reflektiert, wird als Erdschein bezeichnet. Die biologische Aktivität auf der Erde hat viele Nebenprodukte wie Sauerstoff und Ozon in Verbindung mit Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid. Diese biogenen Moleküle lassen sich in den Atmosphären anderer Planeten bei optischen und nahinfraroten Wellenlängen nachweisen. Erdscheinbeobachtungen erlauben, die Existenz biogener und verwandter chemischer Elemente mit denselben Techniken für einen bewohnbaren Planeten zu überprüfen, die ansonsten zur Beobachtung von Sternen mit sehr großen Planeten verwendet werden. Sie sind somit ein idealer Test für zukünftige Studien entfernter erdähnlicher Planeten mit der neuen Generation extrem großer Teleskope.
Im Januar 2019 ereignete sich eine totale Mondfinsternis, bei der sich der Mond sich um das 20.000-fache verdunkelte. Für die Beobachtungen wurde daher die Lichtsammelfähigkeit des 11,8 m Large Binocular Teleskops (LBT) benötigt. Darüber hinaus war die hohe spektrale Auflösung des Instruments PEPSI (Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument) erforderlich, um den erwarteten Einfluss der Erdatmosphäre vom normalen Sonnenspektrum zu trennen.
"PEPSI hat bereits bedeutende Beiträge zur Untersuchung von Exoplaneten geleistet, indem es deren Transit vor ihrer Sonne beobachtet hat", fügt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums, hinzu. „Die Beobachtung der Erde als Exoplanet dank einer totalen Mondfinsternis vom LBT-Standort in Arizona und die Ergänzung von Polarimetrie zur exquisiten Auflösung des PEPSI-Spektrographen führten zum Nachweis von Natrium, Kalzium und Kalium in der Erdatmosphäre."
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Die Sonne vom Tycho-Krater auf dem Mond aus gesehen. Während die Sonne hinter dem Nordpazifik untergeht, verschwindet ihre Scheibe bei einer Mondfinsternis vollständig hinter der Erde.
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Zeitreihe der Spektren der terrestrischen molekularen Sauerstoff- und Wasserdampfabsorption während der Mondfinsternis. Die zentralen vier Spektren zeigen einen dramatischen Anstieg der O2- und H2O-Absorption während der Bedeckung. Sauerstoffmoleküle bilden bei 7600 Å die sogenannte A-Bande, H2O bildet einzelne Absorptionslinien im Bereich von 7850–9100 Å.
Spektraler Zoom auf die Kaliumlinie bei einer Wellenlänge von 7699 Å: Das untere Spektrum ist ein Vergleichsspektrum des Vollmonds außerhalb der Sonnenfinsternis. Rot gekennzeichnet sind Zeiten der Totalität, schwarz bei partieller Bedeckung und blau außerhalb der Finsternis. Die Linien beiderseits der Kaliumlinie stammen von zwei terrestrischen Wasserdampfabsorptionen.
