Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Eine Gruppe von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Thomas Mikal-Evans vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat erstmals die atmosphärischen Bedingungen auf der Nachtseite eines heißen Jupiters in gebundener Rotation im Detail untersucht. Unter Einbeziehung von Messungen der Tagseite ermittelten sie, wie Wasser seinen Aggregatzustand ändert, wenn es sich zwischen den Hemisphären des Exoplaneten WASP-121 b bewegt. Diese Studie, die in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, ist ein großer Schritt zur Entschlüsselung der globalen Stoff- und Energiekreisläufe in den Atmosphären von Exoplaneten.

Mit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, wurde vor mehr als 25 Jahren eine neue und exotische Planetenklasse eingeführt: der heiße Jupiter. Heiße Jupiter sind jupiterähnliche Riesengasplaneten auf engen Bahnen um ihre Zentralsterne, die nur durch wenige Sterndurchmesser voneinander getrennt sind. Aufgrund ihrer Nähe heizt die Strahlung des Sterns den Planeten auf mehrere hundert bis einige tausend Grad Celsius auf. Von den fast 5000 bekannten Exoplaneten sind mehr als 300 solche heißen Jupiter.

Mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops studierte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Thomas Mikal-Evans vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg die atmosphärischen Eigenschaften des heißen Jupiters WASP-121 b. Astronomen hatten diesen Exoplaneten 2015 im Sternbild Puppis in einer Entfernung von 855 Lichtjahren entdeckt. Seine Masse ist etwa 20 % größer als die des Jupiters, während WASP-121 b einen fast doppelt so großen Durchmesser hat.

„Trotz der Entdeckung von Tausenden von Exoplaneten konnten wir bisher nur die Atmosphären eines kleinen Teils der Planeten untersuchen, da die Beobachtungen sehr schwierig sind“, erklärt Mikal-Evans. „Bisher haben die meisten dieser Messungen nur begrenzte Informationen geliefert, wie z. B. grundlegende Details über die chemische Zusammensetzung oder die durchschnittliche Temperatur in bestimmten Unterregionen der Atmosphäre.“

Die genaueste Erkundung der Bedingungen auf der Nachtseite eines Exoplaneten
Die neuen Beobachtungen ermöglichten den Astronomen den bisher detailliertesten Einblick in die Bedingungen auf der Nachtseite eines Exoplaneten. Wie bei allen heißen Jupitern ist die Rotation von WASP-121 b durch Gezeitenkräfte an seine Umlaufbahn um seinen Mutterstern gebunden. Eine 30-stündige Umrundung des Sterns benötigt daher die gleiche Zeit, die der Planet braucht, um sich einmal um seine Achse zu drehen. Folglich ist die dem Stern zugewandte Hemisphäre immer der glühend heißen Oberfläche des Sterns ausgesetzt. Gleichzeitig weist die kühlere Nachtseite ständig in den kalten und dunklen Weltraum. Durch die Zusammenführung der Daten von beiden Seiten ergibt die Auswertung des Teams erstmals ein umfassendes Bild davon, wie die Atmosphäre eines Exoplaneten als globales System funktioniert.

„Um die gesamte Oberfläche von WASP-121 b zu untersuchen, haben wir mit Hubble Spektren während zweier kompletter Planetenumläufe aufgenommen“, erklärt Mitautor David Sing von der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. Mit dieser Technik und unterstützt durch die Modellierung der Daten hat die Gruppe die obere Atmosphäre von WASP-121 b über den gesamten Planeten hinweg untersucht und dabei zum ersten Mal den kompletten Wasserkreislauf eines Exoplaneten beobachtet.

Der exotische Wasserkreislauf auf WASP-121 b
Auf der Erde ändert das Wasser ständig seinen Aggregatzustand. Festes Eis schmilzt zu flüssigem Wasser. Das Wasser verdampft zu Gas und kondensiert dann zu Tröpfchen, die Wolken bilden. Der Kreislauf schließt sich, wenn diese Tröpfchen zu Regentropfen heranwachsen, die schließlich herunterfallen und Flüsse und Ozeane speisen. Die neuen Hubble-Daten offenbaren jedoch einen Wasserkreislauf auf WASP-121 b, der völlig anders aussieht.

Auf der Seite des Planeten, die dem Zentralstern zugewandt ist, wird die obere Atmosphäre bis zu 3000 Grad Celsius heiß. Bei solchen Temperaturen beginnt das Wasser zu glühen, und viele der Moleküle zerfallen sogar in ihre atomaren Bestandteile. Die Hubble-Daten zeigen auch, dass die Temperatur auf der Nachtseite um etwa 1500 Grad Celsius sinkt. Dieser extreme Temperaturunterschied zwischen den beiden Hemisphären führt zu starken Winden, die den gesamten Planeten von Westen nach Osten umwehen und die aufgebrochenen Wassermoleküle mitreißen. Schließlich erreichen sie die Nachtseite. Die niedrigeren Temperaturen ermöglichen es den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, sich wieder zu verbinden und Wasserdampf zu bilden, bevor sie wieder auf die Tagseite geweht werden und der Zyklus sich wiederholt. Die Temperaturen sinken nie so weit ab, dass sich während des gesamten Zyklus Wasserwolken bilden können, geschweige denn Regen.

Metallwolken und Regen aus flüssigen Edelsteinen
Anstelle von Wasser bestehen die Wolken auf WASP-121 b hauptsächlich aus Metallen wie Eisen, Magnesium, Chrom und Vanadium. Frühere Beobachtungen haben die spektralen Signale dieser Metalle als Gase auf der heißen Tagseite nachgewiesen. Die neuen Hubble-Daten deuten darauf hin, dass die Temperaturen tief genug sinken, damit die Metalle auf der Nachtseite zu Wolken kondensieren können. Die gleichen ostwärts gerichteten Winde, die den Wasserdampf über die Nachtseite tragen, würden auch diese Metallwolken zurück auf die Tagseite blasen, wo sie erneut verdampfen.

Seltsamerweise waren Aluminium und Titan nicht unter den Gasen, die in der Atmosphäre von WASP-121 b nachgewiesen wurden. Eine wahrscheinliche Erklärung dafür ist, dass diese Metalle kondensiert und in tiefere Schichten der Atmosphäre geregnet sind, die für Beobachtungen nicht zugänglich sind. Dieser Regen wäre mit keinem anderen im Sonnensystem bekannten Regen vergleichbar. So kondensiert beispielsweise Aluminium mit Sauerstoff und bildet die Verbindung Korund. Mit Verunreinigungen aus Chrom, Eisen, Titan oder Vanadium ist er uns als Rubin oder Saphir bekannt. Auf der Nachtseite von WASP-121 b könnte es also flüssige Edelsteine regnen.

Die Aussichten mit dem Weltraumteleskop James Webb
„Es ist aufregend, Planeten wie WASP-121 b zu untersuchen, die sich sehr von denen in unserem Sonnensystem unterscheiden, denn sie ermöglichen es uns zu lernen, wie sich Atmosphären unter extremen Bedingungen verhalten“, sagt Mitautorin Joanna Barstow von der Open University in Milton Keynes, Großbritannien. Mikal-Evans fügt hinzu: „Um diesen Planeten besser zu verstehen, werden wir ihn mit dem James-Webb-Weltraumteleskop innerhalb des ersten Jahres seines Betriebs beobachten.“ Durch das Einbeziehen von Wellenlängen, die über die Reichweite von Hubble hinausgehen, kann das Team die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre bestimmen, was Aufschluss darüber geben könnte, wie und wo WASP-121 b in der protoplanetaren Scheibe entstanden ist. Die Messungen werden sogar genau genug sein, um etwas über die Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen innerhalb der Atmosphäre zu erfahren.

Weitere Informationen
Das Team besteht aus Thomas Mikal-Evans (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA [MIT]), David K. Sing (Department of Earth & Planetary Sciences and Department of Physics & Astronomy, Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA), Joanna K. Barstow (School of Physical Sciences, The Open University, Milton Keynes, Großbritannien), Tiffany Kataria (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA), Jayesh Goyal (National Institute of Science Education and Research (NISER), HBNI, Jatni, Odisha, Indien; Department of Astronomy and Carl Sagan Institute, Cornell University, Ithaca, NY, USA [Cornell]), Nikole Lewis (Cornell), Jake Taylor (Institute for Research on Exoplanets, Department of Physics, Université de Montréal, Montréal, Kanada; Department of Physics (Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics), University of Oxford, Oxford, Großbritannien), Nathan. J. Mayne ( Physics and Astronomy, College of Engineering, Mathematics and Physical Sciences, University of Exeter, Exeter, Großbritannien), Tansu Daylan (MIT; Department of Astrophysical Sciences, Princeton University, Princeton, NJ, USA), Hannah R. Wakeford (School of Physics, University of Bristol, Bristol, Großbritannien), Mark S. Marley (Lunar and Planetary Laboratory, Department of Planetary Sciences, University of Arizona, Tucson, AZ, USA), Jessica J. Spake (Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA).

Originalveröffentlichung
Thomas Mikal-Evans et al.
Diurnal variations in the stratosphere of the ultrahot giant exoplanet WASP-121b
Nature Astronomy (2022), DOI: 10.1038/s41550-021-01592-w, https://www.nature.com/articles/s41550-021-01592-w
Source (pdf):
https://www.mpg.de/18278975/MPIA-PR_WASP-121b_Mikal-Evans_2022_Article.pdf

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Quelle: Universität Bern.

28. Januar 2022 – Die Atmosphäre der Erde ist keine einheitliche Hülle, sondern besteht aus verschiedenen Schichten, die jeweils charakteristische Eigenschaften haben. Die unterste Schicht, die sich vom Meeresspiegel bis zu den höchsten Berggipfeln erstreckt – die Troposphäre – enthält etwa den meisten Wasserdampf und ist somit die Schicht, in der die meisten Wetterphänomene auftreten. Die darüber liegende Schicht – die Stratosphäre – enthält die berühmte Ozonschicht, die uns vor der schädlichen ultravioletten Strahlung der Sonne schützt.

In einer neuen Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Nature Astronomy erschienen ist, zeigt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Lund erstmals, dass auch die Atmosphäre eines der extremsten bekannten Planeten ähnlich ausgeprägte Schichten aufweisen könnte – wenn auch mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften.

Ein exotischer Cocktail als Atmosphäre
WASP-189b ist ein Planet außerhalb unseres eigenen Sonnensystems, der 322 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Umfangreiche Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS im Jahr 2020 ergaben unter anderem, dass der Planet 20-mal näher an seinem Wirtsstern ist als die Erde an der Sonne und eine Tagestemperatur von 3.200 Grad Celsius aufweist. Neuere Untersuchungen mit dem HARPS-Spektrographen am La Silla-Observatorium in Chile ermöglichten den Forschenden nun erstmals einen genaueren Blick auf die Atmosphäre des jupiterähnlichen Planeten.

«Wir haben das die Atmosphäre des Planeten durchdringende Licht des Wirtssterns gemessen. Dabei absorbieren Gase in seiner Atmosphäre einen Teil des Sternenlichts, ähnlich wie Ozon einen Teil des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre absorbiert, und hinterlassen so ihren charakteristischen ‘Fingerabdruck’. Mit Hilfe von HARPS konnten wir die entsprechenden Stoffe der Atmosphäre identifizieren», erklärt die Hauptautorin der Studie und Doktorandin an der Universität Lund, Bibiana Prinoth. Die Gase, die ihren Fingerabdruck in der Atmosphäre von WASP-189b hinterlassen haben, enthielten nach Angaben der Forschenden unter anderem Eisen, Chrom, Vanadium, Magnesium und Mangan.

Eine «Ozonschicht» auf einem glühend heißen Planeten?
Eine besonders interessante Substanz, die das Team fand, ist ein titanhaltiges Gas: Titanoxid. Während Titanoxid auf der Erde sehr selten ist, könnte es in der Atmosphäre von WASP-189b eine wichtige Rolle spielen – ähnlich derjenigen von Ozon in der Erdatmosphäre. «Titanoxid absorbiert kurzwellige Strahlung, wie etwa ultraviolette Strahlung. Seine Entdeckung könnte daher auf eine Schicht in der Atmosphäre von WASP-189b hinweisen, die ähnlich wie die Ozonschicht auf der Erde mit der Sterneneinstrahlung interagiert», erklärt Studien-Koautor Kevin Heng, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS.

Tatsächlich fanden die Forschenden Hinweise auf eine solche und andere Schichten auf dem ultraheißen, jupiterähnlichen Planeten. «In unserer Analyse sahen wir, dass die ‘Fingerabdrücke’ der verschiedenen Gase im Vergleich zu unserer Erwartung leicht verändert waren. Wir glauben, dass starke Winde und andere Prozesse diese Veränderungen hervorrufen könnten. Und da die Fingerabdrücke der verschiedenen Gase auf unterschiedliche Weise verändert wurden, deutet dies unserer Meinung nach darauf hin, dass sie in verschiedenen Schichten vorkommen – ähnlich wie die Fingerabdrücke von Wasserdampf und Ozon auf der Erde aus der Ferne unterschiedlich verändert erscheinen würden, weil sie meist in verschiedenen atmosphärischen Schichten vorkommen», erklärt Prinoth. Diese Ergebnisse könnten die Art und Weise verändern, wie Exoplaneten erforscht werden.

Eine andere Art, Exoplaneten zu betrachten
«In der Vergangenheit sind Astronominnen und Astronomen oft davon ausgegangen, dass die Atmosphären von Exoplaneten als eine einheitliche Schicht existieren und haben versucht, sie als solche zu verstehen. Unsere Ergebnisse zeigen aber, dass auch die Atmosphären von intensiv bestrahlten Gasriesenplaneten komplexe dreidimensionale Strukturen aufweisen», betont der Mitautor der Studie und Dozent an der Universität Lund Jens Hoeijmakers.

«Wir sind davon überzeugt, dass wir die dreidimensionale Beschaffenheit der Atmosphären berücksichtigen müssen, um diese und andere Planetentypen – auch solche, die der Erde ähnlicher sind – vollständig verstehen zu können. Dies erfordert Innovationen bei den Datenanalysetechniken, der Computermodellierung und der grundlegenden Atmosphärentheorie“, so Kevin Heng abschließend.

Angaben zur Publikation:
Titanium oxide and chemical inhomogeneity in the atmosphere of the exoplanet WASP-189 by B. Prinoth et al. (2022), Nature Astronomy. DOI : 10.1038/s41550-021-01581-z https://www.nature.com/articles/s41550-021-01581-z

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