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Autor: Ralph-Mirko Richter / 26. April 2010, 21:32 Uhr

Methandefizit bei Gliese 436b

Mit dem Weltraumteleskop Spitzer durchgeführte Messungen haben ergeben, dass einer der kleinsten der bisher bekannten 452 Exoplaneten, der Planet Gliese 436b, deutlich mehr Kohlenmonoxid und etwa 7000-mal weniger Methan in seiner Atmosphäre enthält als aus theoretischen Modellen hervorgeht.

Quelle: JPL, Nature, Exoplanet.eu, Wikipedia
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NASA, JPL-Caltech

Bild vergrößernEine künstlerische Darstellung des Sterns Gliese 436 und seines Planeten
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Bei dem Stern Gliese 436 handelt es sich um einen etwa sechs Milliarden Jahre alten Roten Zwerg der Spektralklasse M2, welcher sich in einer Entfernung von etwa 33 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Löwe befindet. Durch Messungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns gelang bereits im Jahr 2004 der Nachweis eines Exoplaneten, welcher Gliese 436 in einer Entfernung von rund 4,3 Millionen Kilometern alle zwei Tage, 15 Stunden und 27 Minuten einmal umkreist (Raumfahrer.net berichtete damals). Bei einem Transit vor seinem Zentralstern konnte der Durchmesser von Gliese 436b, so die Bezeichnung dieses Planeten, auf etwa 54.000 Kilometer bestimmt werden. Die Exzentrizität der Umlaufbahn, so das Ergebnis von ergänzenden Messungen, weist einen Wert von 0,15 auf und die Planetenmasse konnte zudem auf einen Wert von 0,072 Jupitermassen bestimmt werden.

Somit wird der Planet Gliese 436b der Gruppe der sogenannten "Hot Neptuns" zugerechnet. Hierbei handelt es sich um eine Klasse von Exoplaneten, die in etwa über einen Durchmesser und eine Masse verfügen, welche mit dem Planeten Neptun in unserem Sonnensystem vergleichbar sind und ihren Zentralstern zudem in einem sehr engen Orbit umkreisen. In Verbindung mit den gängigen Planetenmodellen legen diese Daten deshalb auch die Vermutung nahe, dass Gliese 436b über einen ähnlichen Aufbau wie der Planet Neptun sollte.

Max-Planck-Institut für Astronomie

Bild vergrößernZieht man vom Gesamtspektrum von Stern und Planet das Spektrum des Sterns ab, so gewinnt man das Spektrum des Planeten. Daraus wiederum lässt sich die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre ableiten.
(Bild: Max-Planck-Institut für Astronomie)
Da es sich bei Gliese 436b um einen sogenannten Transitplaneten handelt, konnte ein Wissenschaftlerteam um Kevin B. Stevenson von der University of Central Florida in Orlando/USA die von diesem Planeten ausgehende Strahlung mit dem Spitzer-Weltraumteleskop näher untersuchen. Möglich wurde dies durch die spezielle Neigung der Orbitbahn, welche Gliese 436b von der Erde aus gesehen bei jedem Umlauf einmal vor und einmal hinter seinem Zentralstern entlang laufen lässt.

In einem ersten Schritt nahmen die Wissenschaftler dazu das Spektrum von Gliese 436 auf, als dessen Planet gerade hinter dem Stern vorbeizog und die vom Planeten ausgehende Strahlung somit nicht messbar war. Anschließend wurde die kombinierte Strahlung des Exoplaneten und des Zentralstern in sechs verschiedenen Infrarotwellenlängen aufgenommen, während sich Gliese 436b gerade neben seinem Stern befand.

Von diesem Gesamt-Messergebnis wurde jetzt das zuerst ermittelte reine Sternspektrum abgezogen. Aus den sich auf diese Weise ergebenden Daten konnte man schließlich das allein vom Planeten ausgehende Lichtspektrum berechnen. Aus der Analyse von mehreren auf diese Weise beobachteten Planetendurchgängen leiteten Stevenson und sein Team die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre des Exoplaneten ab.

Hierbei zeigte sich ein unerwartetes Ergebnis. Die ermittelten Mengen von Methan und Kohlenmonoxid stimmten nicht mit den theoretischen Modellen überein, welche die Wissenschaftler auf Grund der sehr wahrscheinlich aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammengesetzten Atmosphäre von Gliese 436b annahmen, wobei Wasserstoff den Hauptbestandteil der Atmosphäre bilden sollte. Bei einer ermittelten Temperatur der Atmosphäre von über 500 Grad Celsius, so die bisher gängigen Modelle der Atmosphärenzusammensetzung, sollte sich bei Gliese 436b ein relativ großer Anteil von Methan nachweisen lassen, während der Anteil von Kohlenmonoxid eher gering ausfallen sollte. Tatsächlich zeigen die gewonnenen Resultate jedoch einen deutlich nachweisbaren Anteil von Kohlenmonoxid, während bei den Messungen nur minimale Mengen von Methan erfasst werden konnten.

Möglicherweise, so die Wissenschaftler, liegt dies daran, dass die den für diese Vorhersagen zugrunde liegenden theoretischen Modelle der Atmosphärenzusammensetzung von einem thermochemischen Gleichgewicht auf dem extrasolaren Planeten ausgehen. Das Team um Kevin Stevenson nimmt deshalb an, dass dieser erwartete Zustand des Gleichgewichts im Fall von Gliese 436b gestört ist. Über den Grund kann bisher allerdings nur spekuliert werden. Als auslösender Faktor wäre zum Beispiel eine vertikale Durchmischung der Planetenatmosphäre denkbar. Diese Durchmischung hätte zur Folge, dass Kohlenmonoxid aus tieferen und somit auch heißeren Schichten der Atmosphäre in deren oberen Bereiche transportiert würde. Dies würde jedoch zugleich bedeuten, dass in der Atmosphäre dauerhaft sehr starke Umwälzungen stattfinden müssten, um das im Vergleich zu den theoretischen Modellen gemessene mindestens 100.000-mal geringere Methan-Kohlenmonoxid-Verhältnis zu erklären.

NASA, JPL-Caltech, K. Stevenson (UCF)

Bild vergrößernDas Spektrum des Exoplaneten Gliese 436b wurde in sechs verschiedenen Wellenlängenbereichen im Infrarot ermittelt.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, K. Stevenson (UCF))
Einen alternativen Erklärungsansatz für dieses Ungleichgewicht bietet eine Polymerisation von Methan in andere organische Verbindungen wie beispielsweise Ethylen, so das Team um Stevenson. Entsprechende chemische Reaktionen seien bei den auf Gliese 436b vorherrschenden Temperaturen zumindest wahrscheinlich.

"Wir sind erstaunt", so Joseph Harrington, ein weiterer Astronom von der University of Central Florida, welcher ebenfalls an der Studie mitgewirkt hat. "Aber diese Resultate zeigen uns auch, dass unsere bisherigen Modelle noch weiterer Verbesserungen bedürfen." Die in der aktuellen Studie gewonnenen Erkenntnisse belegen erneut, dass die bisher entdeckten und näher untersuchten Exoplaneten nicht in ein einheitliches Schema gepresst werden können. Die Planetenforscher sind jetzt jedenfalls erst einmal damit beschäftigt, die aktuell gewonnenen Daten mit ihren theoretischen Modellen in Einklang zu bringen. Die erfolgte Untersuchung der Atmosphäre von Gliese 436b bringt die Astronomen einen weiteren Schritt näher an ihr nächstes großes Ziel: Der Untersuchung der Atmosphäre eines lediglich erdgroßen Planeten.

Der vom Durchmesser mit dem Planeten Neptun vergleichbare Planet Gliese 436b ist der bisher kleinste Exoplanet, welcher durch ein Teleskop so detailliert analysiert werden konnte. Mit entsprechend größeren und leistungsstärkeren Instrumenten, so die Erwartung der Wissenschaftler, wird es in der Zukunft auch möglich sein, Planeten von der Größe der Erde zu untersuchen und dabei die Zusammensetzung von deren Atmosphären zu ermitteln. Der Nachweis von Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid sowie speziell von Methan würde dabei Hinweise darauf liefern, ob eine solche "Zweite Erde" eventuell Leben beherbergen könnte. "Letztendlich sind wir auf der Suche nach Biosignaturen auf einem kleinen, terrestrischen Exoplaneten", so Kevin B. Stevenson. "Sauerstoff, besonders in Kombination mit Methan, könnte uns einen entscheidenden Hinweis darauf liefern, dass wir Menschen nicht alleine im Weltall sind."

Die aktuellen Untersuchungen von Kevin B. Stevenson und seinem Team wurden in der Ausgabe vom 22. April 2010 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

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