Anatomie eines Transits

Vom Schatten auf der Sternscheibe bis zur Abweichung von der Ephemeride zeigen sieben Kapitel die Mathematik hinter jedem Auswertungsschritt zum Ausprobieren. Jede Formel steht neben ihrer Animation und rechnet mit, wenn Sie an den Reglern drehen.

Beim Scrollen stellt jeder Erzählschritt die Animation auf ein passendes Beispiel. Danach können Sie frei weiterdrehen, und ein Klick auf einen Schritt stellt ihn wieder her. Wo unsere echten Messungen vorkommen, sind sie als solche markiert, alle übrigen Kurven sind Modellrechnungen.

Neu beim Thema? Das Grundprinzip eines Transits zeigen wir ohne Formeln auf der Seite Exoplaneten.

1

Ein Schatten zieht über die Sternscheibe

Vier Größen bestimmen die Form eines Transits, nämlich das Radienverhältnis k = Rp/R★, die skalierte Bahn a/R★, der Stoßparameter b und die Periode P. Aus der Lichtkurve kommen sie über Tiefe, Dauer und die Länge der Flanken.

Zentraler Transit

Bei b = 0 läuft der Planet genau durch die Sternmitte. Die Sehne über die Scheibe ist am längsten, Ingress und Egress sind kurz, und dazwischen liegt eine flache Sohle. Ohne Randverdunklung ist ihre Tiefe einfach das Flächenverhältnis.

\[\delta \approx k^2 = \left(\frac{R_p}{R_\star}\right)^2\]
δ
delta Transittiefe: relativer Helligkeitsverlust des Sterns während des Transits
k
Radienverhältnis Rp/R★ (Planetenradius durch Sternradius)
Rp
Radius des Planeten
R★
Radius des Sterns (★ = Stern)
≈
ungefähr gleich

Die Ziffern 1 bis 4 in der Kurve sind die Kontakte. 1 und 4 markieren die erste und letzte Berührung der Scheiben von außen, 2 und 3 von innen.

Der Stoßparameter verkürzt den Transit

Je weiter die Bahn vom Zentrum entfernt liegt, desto kürzer wird die Sehne und desto länger dauern Ingress und Egress. Die Dauer vom ersten bis zum vierten Kontakt folgt aus Pythagoras auf dem Himmel und dem Bahnwinkel:

\[T_{14} = \frac{P}{\pi}\,\arcsin\!\left[\frac{R_\star}{a}\,\frac{\sqrt{(1+k)^2 - b^2}}{\sin i}\right],\quad b = \frac{a}{R_\star}\cos i\]
T14
Transitdauer vom 1. Kontakt (erste Berührung der Scheiben) bis zum 4. Kontakt (letzte Berührung)
P
Umlaufperiode des Planeten
π
pi Kreiszahl 3,14159…
arcsin
Arkussinus, Umkehrfunktion des Sinus: macht aus einem Sinuswert wieder einen Winkel
R★
Radius des Sterns (★ = Stern)
a
große Bahnhalbachse, Abstand Planet–Stern
k
Radienverhältnis Rp/R★ (Planetenradius durch Sternradius)
b
Stoßparameter: kleinster Abstand der Planetenbahn von der Sternmitte, in Sternradien (0 = zentral, 1 = am Rand)
i
Bahnneigung (Inklination); 90° = Bahn genau von der Seite gesehen
sin, cos
Sinus und Kosinus des Winkels

In einem Rechenbeispiel (P = 3,0 d, a/R★ = 8, k = 0,10) verliert der Transit von b = 0 bis b = 0,8 fast eine Stunde, nämlich 3,16 h gegen 2,18 h.

Streifend wird es V-förmig

Bei b = 0,95 liegt der Planet nie ganz auf der Scheibe. Es gibt keinen zweiten und dritten Kontakt, die Kurve wird spitz und flacher als k². Eine V-Form in eigenen Daten heißt also nicht automatisch „kleiner Planet“.

Zwei Bahnen, fast dieselbe Kurve

Die gestrichelte Kurve gehört zu b = 0,7 und a/R★ = 6,0, ihr k ist per kleinste Quadrate angepasst. Sie weicht nur in Ingress und Egress ab, und dort um weniger als 2 ppt. Bei einigen ppt Rauschen pro Messpunkt sind beide kaum zu trennen.

Deshalb halten wir in der Auswertung meist die Geometrie fest. Die Werte für a/R★ und die Bahnneigung i stammen aus der Fachliteratur, angepasst werden nur die Mittenzeit Tc, das Radienverhältnis k und die Messeffekte. Die Mittenzeit leidet darunter kaum, weil sie vor allem von der Symmetrie der Flanken abhängt.

Unsere Planeten

Unter „Beispiel“ laden Sie gerundete Literaturwerte von Planeten, die wir beobachtet haben. WASP-52b fällt mit k ≈ 0,165 auf. Mit 27 ppt ist sein Transit fast dreimal so tief wie der von HAT-P-33b. KELT-7b ist mit 2,7 d Periode und a/R★ ≈ 5,5 ein enger Planet um einen großen Stern, entsprechend lang ist der Transit.

Aus a/R★ und P folgt mit Kepler III sogar die mittlere Sterndichte, ohne Entfernung und Sternradius:

\[\rho_\star = \frac{3\pi}{G P^2}\left(\frac{a}{R_\star}\right)^3\]
ρ★
rho mittlere Dichte des Sterns
G
Gravitationskonstante, 6,674 · 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²
P
Umlaufperiode des Planeten
π
pi Kreiszahl 3,14159…
a/R★
skalierte Bahnhalbachse: Bahnradius in Sternradien

Werte gerundet und nur zur Veranschaulichung. Ein Fehler von 5 % in a/R★ wird zu rund 15 % in ρ★.

Modellrechnung ohne Randverdunklung
\[T_{14} \approx \frac{P}{\pi}\,\frac{R_\star}{a}\sqrt{(1+k)^2 - b^2}\]
Was bedeuten die Zeichen?
T14
Transitdauer vom 1. Kontakt (erste Berührung der Scheiben) bis zum 4. Kontakt (letzte Berührung)
P
Umlaufperiode des Planeten
π
pi Kreiszahl 3,14159…
a/R★
skalierte Bahnhalbachse: Bahnradius in Sternradien
k
Radienverhältnis Rp/R★ (Planetenradius durch Sternradius)
b
Stoßparameter: kleinster Abstand der Planetenbahn von der Sternmitte, in Sternradien (0 = zentral, 1 = am Rand)

2

Warum der Boden rund ist

Am Sternrand blicken wir schräg in die Photosphäre und sehen höhere, kühlere Schichten. Der Rand ist dunkler, im Blauen stärker als im Roten. Ein Planet vor der Mitte verdeckt also helleres Licht als am Rand.

Der Rand ist dunkler

Die quadratische Randverdunklung beschreibt die Helligkeit abhängig von μ = cos θ, das in der Mitte 1 und am Rand 0 ist:

\[\frac{I(\mu)}{I(1)} = 1 - u_1(1-\mu) - u_2(1-\mu)^2,\qquad \mu = \sqrt{1-r^2}\]
I(μ)
Helligkeit (Intensität) der Sternscheibe an einer Stelle
I(1)
Helligkeit in der Scheibenmitte (dort ist μ = 1)
μ
my Kosinus des Winkels zwischen Sichtlinie und Oberflächennormale: 1 in der Mitte, 0 am Rand
r
Abstand von der Scheibenmitte in Sternradien (0 bis 1)
u1
linearer Randverdunklungskoeffizient (hängt von Stern und Filter ab)
u2
quadratischer Randverdunklungskoeffizient (hängt von Stern und Filter ab)

Rechts oben sehen Sie den Verlauf über den Radius. Die gestrichelte Linie ist die mittlere Helligkeit der ganzen Scheibe, 1 − u₁/3 − u₂/6.

Darum ist der Boden rund

Der relative Fluss ist eins minus dem verdeckten Anteil des Intensitätsintegrals über die Scheibe. Mandel und Agol (2002) haben das analytisch gelöst, hier wird es Ring für Ring numerisch integriert.

\[F(z) = 1 - \frac{\int_{\text{verdeckt}} I(\mu)\,dA}{\int_{\text{Scheibe}} I(\mu)\,dA}\]
F(z)
relativer Fluss des Sterns (1 = kein Transit) beim Mittelpunktsabstand z
z
Abstand der Mittelpunkte von Stern und Planet am Himmel, in Sternradien
∫
Integral: Summe über die angegebene Fläche (verdeckter Teil bzw. ganze Scheibe)
I(μ)
Helligkeit (Intensität) der Sternscheibe an einer Stelle
dA
Flächenelement der Sternscheibe

Am Rand verdeckt der Planet dunkleres Licht, in der Mitte helleres. Die gestrichelte Kurve unten ist derselbe Planet ohne Randverdunklung, mit flachem Boden bei k².

Tiefer als k² bei HAT-P-33b

In der Transitmitte bei b = 0 gilt näherungsweise

\[\delta_0 \approx k^2\,\frac{1 - u_1(1-\mu_0) - u_2(1-\mu_0)^2}{1 - u_1/3 - u_2/6},\quad \mu_0 = \sqrt{1-b^2}\]
δ0
delta mit Index 0: Transittiefe in der Transitmitte
k
Radienverhältnis Rp/R★ (Planetenradius durch Sternradius)
u1
linearer Randverdunklungskoeffizient (hängt von Stern und Filter ab)
u2
quadratischer Randverdunklungskoeffizient (hängt von Stern und Filter ab)
μ0
my mit Index 0: Wert von μ an der Stelle, an der der Planet in der Transitmitte steht
b
Stoßparameter: kleinster Abstand der Planetenbahn von der Sternmitte, in Sternradien (0 = zentral, 1 = am Rand)
1 − u1/3 − u2/6
mittlere Helligkeit der ganzen Scheibe relativ zur Mitte

Mit u₁ = 0,40, u₂ = 0,25 ist der Faktor 1,21. Aus k = 0,1058 werden so rund 13,6 ppt statt 11,2 ppt.

Unsere Messung. HAT-P-33b haben wir in der Nacht 25./26.02.2026 im Filter R beobachtet. Erwartet waren 14,4 mmag.

Der Filter ändert die Tiefe, nicht die Zeit

Wechseln Sie zwischen B und R. Im Blauen ist der Rand dunkler, der Boden runder und die Mitte tiefer. Gibt man bei ExoClock „Clear“ statt „R“ an, nimmt ExoClock andere u₁, u₂ an. Die Tiefe verschiebt sich um einige Prozent, die Mittenzeit Tc bleibt, weil die Kurve symmetrisch bleibt.

Die Koeffizienten unter „Filter“ sind grobe Richtwerte für einen sonnenähnlichen Stern. In unserer Auswertung verwenden wir derzeit feste Werte u₁ = 0,40 und u₂ = 0,25. Passende Werte für jeden Stern und Filter (nach Claret) wollen wir künftig ergänzen.

Modellrechnung · Bahn wie HAT-P-33b (gerundet)
\[\delta_0 \approx k^2\,\frac{I(\mu_0)/I(1)}{1 - u_1/3 - u_2/6}\]
Was bedeuten die Zeichen?
δ0
delta mit Index 0: Transittiefe in der Transitmitte
k
Radienverhältnis Rp/R★ (Planetenradius durch Sternradius)
I(μ)
Helligkeit (Intensität) der Sternscheibe an einer Stelle
μ0
my mit Index 0: Wert von μ an der Stelle, an der der Planet in der Transitmitte steht
1 − u1/3 − u2/6
mittlere Helligkeit der ganzen Scheibe relativ zur Mitte

3

Ein Kreis, ein Ring und das Seeing

Die Apertur summiert das Sternlicht in einem Kreis und zieht den Himmel aus einem Ring ab. Ihr Radius ist ein Kompromiss. Ist er zu klein, geht bei wechselndem Seeing Licht verloren, ist er zu groß, sammelt er Himmelsrauschen.

Ein Stern ist ein verschmiertes Lichtbündel

Links sehen Sie einen Ausschnitt des Sensors um den Zielstern, Pixel für Pixel. Die Luftunruhe verschmiert das Sternbild auf typisch 2–4″ Halbwertsbreite (FWHM). Im Lauf der Nacht atmet sie, und das Bündel wird breiter und wieder schmaler.

Wie viel Licht die Apertur fängt

Eine Apertur fängt nie das ganze Licht ein, sondern den Anteil der Punktbildfunktion innerhalb des Radius. Für ein gaußförmiges Sternbild:

\[\eta(r) = 1 - \exp\!\left(-4\ln 2\,\frac{r^2}{\mathrm{FWHM}^2}\right)\]
η(r)
eta eingefangener Lichtanteil: welcher Bruchteil des Sternlichts in der Apertur mit Radius r liegt
r
Radius der Apertur in Pixeln
FWHM
Halbwertsbreite des Sternbilds (full width at half maximum): Durchmesser, bei dem die Helligkeit auf die Hälfte gefallen ist
exp, e
Exponentialfunktion; e = Eulersche Zahl 2,718…
ln 2
natürlicher Logarithmus von 2 (0,693); kommt aus der Umrechnung FWHM ↔ Gauß-Breite

Bis etwa 1 · FWHM steigt der Anteil steil, danach flacht er ab. Unter 1,5 · FWHM reagiert der Fluss empfindlich auf jede kleine Fehlzentrierung.

Das Signal-Rausch-Optimum

Die CCD-Gleichung sammelt alle Rauschquellen in der Apertur:

\[\sigma_\star = \sqrt{N_\star + n_{\text{pix}}\Big(1 + \tfrac{n_{\text{pix}}}{n_{\text{Ring}}}\Big)\big(N_S + N_D + N_R^2\big)}\]
σ★
sigma Rauschen des gemessenen Sternsignals, in Elektronen
N★
Sternsignal in der Apertur (Elektronen)
npix
Anzahl Pixel in der Apertur
nRing
Anzahl Pixel im Himmelsring; der Faktor (1 + npix/nRing) ist der Fehler der Himmelsschätzung
NS
Himmelshintergrund pro Pixel (Elektronen)
ND
Dunkelstrom pro Pixel (Elektronen)
NR
Ausleserauschen pro Pixel (Elektronen)

Die gestrichelte Kurve oben rechts ist das SNR über dem Radius. Bei schwachen Sternen liegt das Optimum um 0,7–1,0 · FWHM, bei hellen weiter außen, weil dort das Photonenrauschen des Sterns das Himmelsrauschen überwiegt. Drehen Sie am Sternsignal.

Feste Apertur bei schwankendem Seeing

Bei festem r sinkt η, wenn das Seeing schlechter wird. Im Verhältnis Ziel durch Vergleichsstern kürzt sich das, solange alle Sterne dieselbe Form haben. Ist das Sternbild über das Feld aber leicht verschieden (hier ist das Ziel 8 % breiter), bleibt ein Rest, der wie ein Trend aussieht.

Die mitwachsende Apertur

Setzt man pro Bild r = k · FWHM, bleibt η konstant, und der Rest verschwindet. Die Tiefe wird nicht verfälscht, weil Ziel und Vergleichssterne im selben Bild denselben Radius bekommen. Die FWHM kommt nur von den Vergleichssternen, geglättet, ohne den Zielstern.

Unsere Messungen. Bei HAT-P-42b lag das Rauschen mit fester Apertur (10 px) bei 4,36 ppt, mitwachsend (k = 2) bei 4,39 ppt. Bei ruhigem Seeing sind beide also gleichwertig. Bei WASP-52b hat im Lauf mit Dark, Flat und Bias die mitwachsende Apertur mit k = 1,5 gewonnen.

Modellrechnung · Gauß-Profil
\[\eta(r) = 1 - e^{-4\ln 2\, r^2/\mathrm{FWHM}^2}\]
Was bedeuten die Zeichen?
η(r)
eta eingefangener Lichtanteil: welcher Bruchteil des Sternlichts in der Apertur mit Radius r liegt
r
Radius der Apertur in Pixeln
FWHM
Halbwertsbreite des Sternbilds (full width at half maximum): Durchmesser, bei dem die Helligkeit auf die Hälfte gefallen ist
exp, e
Exponentialfunktion; e = Eulersche Zahl 2,718…
ln 2
natürlicher Logarithmus von 2 (0,693); kommt aus der Umrechnung FWHM ↔ Gauß-Breite

4

Die Atmosphäre teilt sich heraus

Die Atmosphäre verändert die Helligkeit aller Sterne im Feld fast gleich. Teilt man das Ziel durch eine Summe von Vergleichssternen, fällt das heraus. Übrig bleibt, was nur das Ziel tut, so gut, wie die Vergleichssterne dem Ziel ähneln und selbst ruhig sind.

Alle Sterne sinken mit der Airmass

Die Nacht folgt HAT-P-33b vom 25./26.02.2026: Das Ziel steht kurz nach Beginn im Meridian und sinkt bis zum Ende auf Airmass 2,3. Die Extinktion in Magnituden wächst linear mit der Luftmasse X:

\[m_{\text{beob}} = m_0 + k\,X + k''\,(B-V)\,X\]
mbeob
gemessene (beobachtete) Helligkeit in Magnituden
m0
Helligkeit außerhalb der Atmosphäre
k
Extinktionskoeffizient, Magnituden pro Luftmasse (im Filter R etwa 0,1–0,15); nicht das k aus Kapitel 1
k″
Farbterm der Extinktion: wie stark die Extinktion von der Sternfarbe abhängt
B − V
Farbindex: Blau- minus Visuell-Helligkeit; größer heißt röter
X
Airmass (Luftmasse): 1 im Zenit, etwa 1/cos der Zenitdistanz

Im mittleren Feld fallen Ziel (farbig) und vier Vergleichssterne (grau) gemeinsam ab. Den Transit sieht man im Rohfluss kaum.

Das Verhältnis ist flach

Das Ensemble ist eine Summe der Vergleichssterne. Das Werkzeug summiert ungewichtet, hellere Sterne zählen dadurch automatisch stärker:

\[f_{\text{rel}}(t) = \frac{T(t)}{\sum_j w_j\,C_j(t)}\]
frel(t)
relativer Fluss des Ziels, also die Lichtkurve
T(t)
gemessener Fluss des Zielsterns zur Zeit t
Cj(t)
Fluss des Vergleichssterns Nummer j
wj
Gewicht von Vergleichsstern j (im Werkzeug derzeit alle 1)
Σ
Sigma (groß) Summe über alle Vergleichssterne j

Unten bleibt der Transit übrig, sauber auf einer flachen Grundlinie.

Auch Wolken fallen heraus

Zwei Dunstfelder ziehen durch und schlucken bis zu 25 % des Lichts. Weil sie alle Sterne gleich treffen, verschwinden sie im Verhältnis fast vollständig. Es bleibt nur etwas mehr Rauschen, weil in diesen Bildern weniger Photonen ankommen.

Was übrig bleibt, ist der Farbterm

Blaues Licht wird stärker gestreut. Sind die Vergleichssterne röter als das Ziel, werden sie mit steigender Airmass relativ heller, und im Verhältnis bleibt ein Trend proportional zu Δ(B−V) · X. Diesen Rest beschreiben wir in der Auswertung mit einem Airmass-Polynom, das gemeinsam mit dem Transit angepasst wird.

Ein Fallstrick aus HAT-P-33b. Steigt die Airmass über den Transit monoton und ist die Baseline davor kurz (dort 0,65 h), kann der Trend Teile der Tiefe schlucken.

G06, ein veränderlicher Vergleichsstern

Ein einzelner Stern mit Anteil w am Ensemble und Helligkeitsänderung A verfälscht die Lichtkurve um etwa w · A. Wird er genau im Transitfenster heller, wächst der Nenner, und der Transit erscheint tiefer.

\[\Delta f_{\text{rel}} \approx -\,w\cdot A\]
Δfrel
Delta (groß) Verfälschung der Lichtkurve
w
Anteil des veränderlichen Sterns am Fluss des Ensembles
A
Helligkeitsänderung des veränderlichen Vergleichssterns

Unsere Messung. Bei HAT-P-33b war G06 laut Gaia veränderlich und im Transitfenster um 7,2 ppt heller (7σ). Mit G06 ergab der Fit Rp/R★ = 0,0962, ohne G06 0,0927. Das Rauschen außerhalb des Transits war in beiden Fällen gleich (9,43 ppt), deshalb ist der Test „Vergleichsstern im Transitfenster“ seither fester Teil des Ergebnisblatts.

Wie viele Vergleichssterne?

Das Rauschen des Verhältnisses enthält das des Ziels und das des Ensembles:

\[\sigma_{\text{rel}}^2 \approx \sigma_T^2 + \Big(\sum_j 1/\sigma_j^2\Big)^{-1}\]
σrel
sigma relatives Rauschen der Lichtkurve
σT
sigma relatives Rauschen des Zielsterns
σj
sigma relatives Rauschen von Vergleichsstern j
Σ
Sigma (groß) Summe über alle Vergleichssterne j

Mit einem gleich hellen Vergleichsstern steigt das Rauschen um 41 %, mit fünf um 10 %, mit zehn um 5 %. Mehr Sterne helfen danach kaum noch, erhöhen aber das Risiko, einen Veränderlichen aufzunehmen.

Bei HAT-P-42b wurden drei Kandidaten ausgeschlossen, nämlich einer mit RUWE 23, einer mit dem Gaia-Flag VARIABLE und einer, der sich im Transitfenster um −4,2 ± 1,3 ppt änderte.

Modellrechnung · Zeiten und Airmass wie HAT-P-33b
\[\sigma_{\text{rel}}/\sigma_T \approx \sqrt{1 + 1/N}\]
Was bedeuten die Zeichen?
σrel
sigma relatives Rauschen der Lichtkurve
σT
sigma relatives Rauschen des Zielsterns
N
Anzahl gleich heller Vergleichssterne

5

Weißes Rauschen mittelt sich weg, rotes nicht

Nach dem Fit bleiben Residuen. Ob sie nur zufällig streuen oder zeitlich zusammenhängen, entscheidet darüber, wie ehrlich die Fehlerbalken sind. Bei hellen Sternen bestimmt außerdem oft die Luft das Rauschen, nicht die Kamera.

Weißes Rauschen

Oben sehen Sie Residuen einer Nacht, darüber Mittelwerte aus je n Punkten. Ist das Rauschen unabhängig von Punkt zu Punkt, fällt die Streuung der Mittelwerte wie 1/√n, und im unteren Diagramm liegen die Punkte auf der Linie.

Rotes Rauschen bleibt stehen

Seeing-Wellen, Nachführung oder dünne Wolken erzeugen zeitlich korrelierte Schwankungen. Hier sind sie als Prozess mit einer Korrelationszeit von 25 min eingemischt. Die gemittelten Punkte wandern jetzt als Wellen, und die Streuung fällt langsamer als 1/√n.

Der β-Faktor

Winn et al. (2008) vergleichen die Streuung der Blockmittel mit der Erwartung für weißes Rauschen:

\[\beta = \frac{\sigma_n}{\sigma_1}\sqrt{\frac{n(M-1)}{M}}\]
β
beta Faktor für rotes Rauschen; 1 = rein weißes Rauschen, größer = zeitlich korreliertes Rauschen
σ1
sigma Streuung der einzelnen Residuen
σn
sigma Streuung der Mittelwerte aus je n Punkten
n
Punkte pro Block
M
Anzahl der Blöcke

β = 1 heißt weißes Rauschen. In unserer Auswertung wird β über Blocklängen von 10 bis 30 min gemittelt, etwa die Dauer eines Ingress, und die Fehlerbalken werden damit multipliziert.

Unsere Messung. HAT-P-33b ergab β = 1,22 ohne Flat und 1,04 mit Flat.

Szintillation bei HAT-P-33b

Luftunruhe lässt die Helligkeit flackern, stärker bei kleiner Öffnung, kurzer Belichtung und hoher Airmass. Nach Young (1967):

\[\sigma_{\text{szint}} \approx 0{,}09\,D^{-2/3}\,X^{1{,}75}\,e^{-h/8000\,\mathrm{m}}\,(2t)^{-1/2}\]
σszint
sigma relatives Helligkeitsflackern durch Luftunruhe (Szintillation)
D
Teleskopöffnung in cm
X
Airmass (Luftmasse): 1 im Zenit, etwa 1/cos der Zenitdistanz
h
Höhe des Standorts über dem Meer
t
Belichtungszeit in Sekunden
exp, e
Exponentialfunktion; e = Eulersche Zahl 2,718…

Bei 150 mm Öffnung, X = 1,5 und 20 s sind das rund 4,5 ppt pro Bild, mit der empirischen Osborn-Korrektur eher 7 ppt. Das ist der größte Teil der gemessenen 9,4 ppt aus dieser Nacht.

Bei KELT-7b waren 2 Sekunden zu kurz

KELT-7 ist mit G = 8,5 so hell, dass 1,5 bis 2,5 s belichtet wurde. Die Szintillation steigt dann auf rund 25 ppt pro Bild, und der Verschluss war nur etwa 6 % der Zeit offen. Die Mittenzeit ist entsprechend schwach bestimmt.

Unsere Messung. Bei KELT-7b ergab sich am 18.10.2026 nach Gewichtung pro Bild ein O−C von +25,5 min (+6/−8). Beim nächsten hellen Stern belichten wir 20 bis 60 s und defokussieren leicht, das bringt grob Faktor 3 bis 4 weniger Rauschen.

Simulierte Residuen · Takt 1,5 min
\[\sigma_{\text{szint}} \approx 0{,}09\,D^{-2/3}X^{1{,}75}e^{-h/H}(2t)^{-1/2}\]
Was bedeuten die Zeichen?
σszint
sigma relatives Helligkeitsflackern durch Luftunruhe (Szintillation)
D
Teleskopöffnung in cm
X
Airmass (Luftmasse): 1 im Zenit, etwa 1/cos der Zenitdistanz
h
Höhe des Standorts über dem Meer
H, 8000 m
Skalenhöhe der Atmosphäre
t
Belichtungszeit in Sekunden
exp, e
Exponentialfunktion; e = Eulersche Zahl 2,718…

6

Walker wandern durch den Parameterraum

Der Fit sucht die Parameter, unter denen die gemessene Lichtkurve am wahrscheinlichsten ist. Die MCMC liefert nicht einen Wert, sondern Tausende plausible Werte. Ihr Histogramm ist der Fehlerbalken.

Eine Landschaft aus χ²

Bei gaußschem, unabhängigem Rauschen ist die Log-Likelihood bis auf eine Konstante das negative halbe χ²:

\[\ln\mathcal{L}(\theta) = -\frac{1}{2}\sum_{i}\frac{\big(f_i - m(t_i;\theta)\big)^2}{\sigma_i^2} = -\frac{\chi^2}{2}\]
ln 𝓛(θ)
Logarithmus der Likelihood: wie wahrscheinlich die Messdaten bei den Parametern θ sind
θ
theta alle Fit-Parameter zusammen (Tc, k, Systematik)
fi
gemessener Fluss von Messpunkt i
m(ti; θ)
Modellwert zur Zeit ti bei den Parametern θ (theta)
σi
sigma Fehler von Messpunkt i
χ²
chi Quadrat: Summe der quadrierten, auf den Fehler normierten Abweichungen; kleiner = bessere Anpassung
Σ
Sigma (groß) Summe über alle Vergleichssterne j

Links oben ist sie für zwei Parameter aufgespannt, nämlich für die Verschiebung der Mittenzeit ΔTc und das Radienverhältnis k. Die Flächen sind die 1σ-, 2σ- und 3σ-Bereiche (Δχ² = 2,3 / 6,2 / 11,8).

Walker erkunden die Landschaft

Sechzehn Walker starten absichtlich daneben, bei ΔTc = +9 min und k = 0,118. Bei jedem Schritt schlägt jeder Walker einen Sprung entlang der Linie zu einem anderen Walker vor (Stretch-Move wie in emcee). Ein Sprung bergab wird immer angenommen, einer bergauf nur mit der Wahrscheinlichkeit e−Δχ²/2.

Aus Stichproben werden Fehlerbalken

Nach der Einlaufphase sind die Positionen Stichproben aus der Posterior-Verteilung:

\[p(\theta\,|\,\text{Daten}) \propto \mathcal{L}(\text{Daten}\,|\,\theta)\;p(\theta)\]
p(θ | Daten)
Posterior: Wahrscheinlichkeit der Parameter nach der Messung
𝓛(Daten | θ)
Likelihood wie oben
p(θ)
Prior: Vorwissen über die Parameter, z. B. die Flip-Stufe
θ
theta alle Fit-Parameter zusammen (Tc, k, Systematik)
∝
proportional zu: gleich bis auf einen konstanten Faktor

Der Median ist der Wert, das 16. und 84. Perzentil sind die ±1σ-Grenzen, auch bei schiefen Verteilungen. Deshalb stehen im Ergebnis + und − getrennt. Unten liegen fünfzehn zufällig gezogene Modelle über den Daten.

Mehr Rauschen, breitere Verteilung

Mit 12 ppt pro Punkt statt 5 werden Landschaft und Histogramme breiter. ΔTc und k hängen dabei kaum zusammen. Die Mittenzeit steckt in der Symmetrie der Flanken, die Tiefe im Boden.

Unsere Messung. Bei HAT-P-33b ergaben 1077 Bilder à 20 s mit 9,4 ppt pro Bild für Tc eine Unsicherheit von +2,2/−2,0 min.

Konvergenz und R-hat

Mehrere unabhängige Ketten prüfen, ob alle dieselbe Verteilung gefunden haben (Gelman-Rubin):

\[\hat{R} = \sqrt{\frac{\frac{n-1}{n}W + \frac{1}{n}B}{W}}\]
R̂
R-hat, Konvergenzmaß nach Gelman-Rubin; nahe 1 = Ketten sind sich einig
W
mittlere Varianz innerhalb einer Kette
B
Streuung zwischen den Kettenmittelwerten (n mal deren Varianz)
n
Schritte pro Kette

W ist die mittlere Varianz innerhalb einer Kette, B die Streuung der Kettenmittel. R-hat nahe 1 heißt, dass sich die Ketten einig sind. Hier zählt jeder Walker als eigene Kette.

Unsere Messung. HAT-P-33b lief mit 15 Ketten und erreichte R-hat = 1,003.

Simulierte Daten · Geometrie fest
\[\ln\mathcal{L} = -\tfrac{1}{2}\chi^2\]
Was bedeuten die Zeichen?
ln 𝓛(θ)
Logarithmus der Likelihood: wie wahrscheinlich die Messdaten bei den Parametern θ sind
χ²
chi Quadrat: Summe der quadrierten, auf den Fehler normierten Abweichungen; kleiner = bessere Anpassung

7

Beobachtet minus berechnet

Eine Ephemeride sagt voraus, wann der nächste Transit kommt. Jede neue Messung prüft und verbessert sie. Genau dafür sammelt ExoClock Amateurdaten. Die Mission Ariel braucht ab etwa 2029 Transitzeiten, die auf wenige Minuten genau vorhergesagt sind.

Unsere Messungen gegen die Vorhersage

Oben stehen unsere ausgewerteten Nächte, jede gegen die ExoClock-Ephemeride ihres Planeten:

\[\mathrm{O{-}C} = T_{c,\text{gemessen}} - T_{\text{pred}},\qquad z = \frac{\mathrm{O{-}C}}{\sqrt{\sigma_{T_c}^2 + \sigma_{\text{pred}}^2}}\]
O−C
beobachtet minus berechnet (observed minus calculated), in Minuten
Tc,gemessen
eigene gemessene Transitmitte
Tpred
vorhergesagte Transitmitte aus der Ephemeride
z
Abweichung in Vielfachen des Gesamtfehlers (hier nicht der Mittelpunktsabstand)
σTc
sigma Fehler der eigenen Mittenzeit
σpred
sigma Unsicherheit der Vorhersage

Vier Nächte liegen innerhalb ihres Fehlers. WASP-135b und KELT-7b liegen gut 3σ des eigenen Messfehlers daneben. Bei WASP-135b blieb die Abweichung in allen Tests stabil zwischen −2,5 und −4,6 min. Ob die Vorhersage selbst etwas danebenliegt, zeigt erst ihr eigener Fehler. Bei KELT-7b scheidet die Uhr aus (NTP-Protokoll geprüft), wahrscheinlicher ist eine Systematik im verrauschten Ingress.

z ist hier nur mit dem eigenen Messfehler gerechnet, der Fehler der Vorhersage fehlt in dieser Darstellung.

Die Vorhersage wird mit jeder Epoche unsicherer

Die lineare Ephemeride und ihr Fehler (T₀ und P hier vereinfacht unabhängig):

\[T_{\text{pred}}(E) = T_0 + E\cdot P,\qquad \sigma_{\text{pred}}(E) = \sqrt{\sigma_{T_0}^2 + E^2\,\sigma_P^2}\]
Tpred
vorhergesagte Transitmitte aus der Ephemeride
T0
Referenz-Transitmitte der Ephemeride
E
Epoche: Zahl der Umläufe seit T0
P
Umlaufperiode des Planeten
σpred
sigma Unsicherheit der Vorhersage
σT0
sigma Unsicherheit der Referenzzeit
σP
sigma Unsicherheit der Periode

Bei σP = 1 s sind nach 1000 Epochen 17 min Unsicherheit erreicht, bei P = 3,47 d etwa 10 Jahre. Ab dann liefert jede Messung mit ±2 min echte Information.

Eine falsche Periode wird zur Geraden

Ist die Periode um 0,8 s zu kurz angesetzt, wächst O−C linear mit der Epoche. Die häufigste Ursache großer O−C ist genau das, nämlich eine veraltete Ephemeride, deren Fehler sich über die Jahre aufsummiert. Eine gewichtete Ausgleichsgerade durch viele Messungen liefert die korrigierte Periode.

TTVs als echte Schwankungen

Ein weiterer Planet, Gezeitenzerfall oder Apsidendrehung können die Transitzeiten periodisch verschieben (Transit Timing Variations). Bei den meisten heißen Jupitern sind sie kleiner als eine Minute. Hier ist eine Schwankung von 3 min eingestellt. Erst viele Messungen mit kleinem Fehler machen sie sichtbar.

Rp/R★-Drift, das Qualitätsmaß von ExoClock

ExoClock passt jede Kurve selbst an und vergleicht die Tiefe mit der Literatur. Weicht sie stark ab, steckt Systematik in der Kurve, und die könnte auch Tc verschoben haben.

\[\text{Drift} = \frac{(R_p/R_\star)_{\text{gem}} - (R_p/R_\star)_{\text{Lit}}}{\sqrt{\sigma_{\text{gem}}^2 + \sigma_{\text{Lit}}^2}}\]
(Rp/R★)gem
eigenes gemessenes Radienverhältnis
(Rp/R★)Lit
Literaturwert aus der ExoClock-Datenbank
σgem, σLit
sigma Fehler des eigenen Werts und des Literaturwerts

Unter 2 ist gut, unter 3 akzeptabel, ab 3 rot. Der Regler unten rechnet mit den Fehlern aus HAT-P-33b.

Unsere Messung. Für HAT-P-33b ergibt sich (0,0966 − 0,1058) / √(0,0025² + 0,0011²) = −3,37. Die Mittenzeit war solide, die Tiefe bestand das Kriterium nicht.

Oben unsere Messungen · unten eine Simulation
\[\sigma_{\text{pred}}(E) = \sqrt{\sigma_{T_0}^2 + E^2\sigma_P^2}\]
Was bedeuten die Zeichen?
σpred
sigma Unsicherheit der Vorhersage
σT0
sigma Unsicherheit der Referenzzeit
σP
sigma Unsicherheit der Periode
E
Epoche: Zahl der Umläufe seit T0

Wir bedanken uns für die Unterstützung bei