Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, ESO.

Bei den „Braunen Zwergen“ handelt es sich um kosmische Objekte, welche eine Lücke zwischen den großen Gasplaneten wie zum Beispiel Jupiter und Saturn und lichtschwachen und zugleich relativ kühlen Sternen, den sogenannten „Roten Zwergen“, ausfüllen. Als Braune Zwerge werden alle Objekte eingestuft, deren Masse zwischen dem 13fachen und dem 75fachen der Masse des Planeten Jupiters liegt. Erst ab dieser Mindestmasse finden sich im Inneren eines kosmischen Objektes Druck- und Temperaturbedingungen, welche das Einsetzen einer Wasserstofffusion und somit die Entstehung eines Sterns ermöglichen.

Braune Zwerge verfügen somit nicht über genügend Masse, um in ihrem Zentralbereich die Kernfusion zu zünden und leuchten nur schwach im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Der erste Braune Zwerg, dessen Fund zweifelsfrei bestätigt werden konnte, wurde erst vor zwanzig Jahren entdeckt. Bislang sind den Astronomen lediglich einige Hundert dieser schwer fassbaren und entsprechend wenig untersuchten Objekte bekannt.

Die beiden Braunen Zwerge, welche unserem Sonnensystem am nächsten liegen, bilden ein Paar namens Luhman 16AB, das lediglich knapp 6,5 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Vela (zu deutsch „Segel“) zu finden ist. Dieses Paar ist nach dem Mehrfachsternsystem Alpha Centauri und „Barnards Pfeilstern“ das drittnächste „Stern“-System zur Erde, wurde aber trotzdem erst Anfang des Jahres 2013 entdeckt (Raumfahrer.net berichtete).

Entdeckt wurden die beiden Objekte von dem US-amerikanischen Astronomen Kevin Luhman auf Aufnahmen des Infrarot-Weltraumteleskops WISE, was auch den offiziellen Namen „WISE J104915.57-531906.1“ erklärt. Zur Vereinfachung wird mittlerweile jedoch ein eingängigerer Name verwendet. Da Kevin Luhman zuvor bereits 15 andere Doppelsternsysteme entdeckt hatte, einigten sich die Astronomen auf den Namen „Luhman 16“. Den Konventionen zur Benennung von Doppelsternsystemen folgend wird der hellere Braune Zwerg dieses Doppelsystems Luhman 16A und der lichtschwächere Luhman 16B genannt. In seiner Gesamtheit wird das Paar als „Luhman 16AB“ bezeichnet.

Untersuchungen mit dem Very Large Telescope der ESO
Es war bereits bekannt, dass der lichtschwächere dieser beiden Braunen Zwerge während seiner Rotation alle paar Stunden seine Helligkeit verändert. Dies wurde als ein Hinweis darauf interpretiert, dass Luhman 16B eventuell deutliche Oberflächenstrukturen aufweist. Jetzt hat ein internationales Astronomenteam das in den chilenischen Anden befindliche Very Large Telescope (kurz „VLT“) der Europäischen Südsternwarte (ESO) für weiterführende Studien genutzt. Dabei konnten sie nicht nur den Braunen Zwerg abbilden, sondern zudem auch die verschiedenen hellen und dunklen Bereiche genau kartieren.

Durch die Kombination dieser Daten konnten die Astronomen erstmals eine Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs erstellen und Messungen durchführen, welche die Atmosphäreneigenschaften in unterschiedlichen Höhenlagen erfassen. Die Ergebnisse, so die beteiligten Wissenschaftler, läuten eine neue Ära in der Erforschung der Braunen Zwerge ein, in der Astronomen ihre theoretischen Modelle für die Wolkenbildung auf diesen Gebilden – und später auch auf extrasolaren Gasplaneten – anhand von direkten Beobachtungen überprüfen können. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden kürzlich in zwei Artikeln in den Fachzeitschriften „Nature“ und „Astrophysical Journal Letters“ publiziert.

Die erste der beiden Studien, welche unter der Leitung von Ian Crossfield vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) durchgeführt wurde, präsentiert eine Oberflächenkarte von Luhman 16B. Hierfür nutzten die Astronomen im Mai 2013 das Instrument CRIRES (kurz für „Cryogenic high-resolution InfraRed Echelle Spectrograph“) – einem Spektrografen zur Aufnahme von hochaufgelösten Spektren im Wellenlängenbereich von einem bis fünf Mikrometern. Anhand der so gewonnenen Daten konnten die Wissenschaftler nicht nur die Helligkeitsänderungen während der Rotation von Luhman 16B erkennen, sondern auch die Bewegungsrichtung der hellen und dunklen Strukturen – zu dem Instrument hin oder von diesem weg – bestimmen.

Mit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technik ist es unmöglich, Oberflächenkarten dieses Braunen Zwergs in der gleichen Weise zu erstellen, wie Astronomen zum Beispiel die Wolkenbänder des Jupiter kartieren würden – also mithilfe räumlich aufgelöster Bilder, auf denen sich die Details der Oberfläche unterscheiden lassen. Stattdessen kam eine indirekte Methode zum Einsatz. Das verwendete Verfahren wird – dem englischen Sprachgebrauch folgend – als „Doppler Imaging“ bezeichnet. Die Methode nutzt aus, dass die Frequenzen des Lichts eines Sterns in ganz bestimmter Weise verschoben werden, während dieser rotiert. Aus diesen systematischen Verschiebungen lässt sich eine ungefähre Karte der Sternoberfläche rekonstruieren.

Um ein ungefähres Verständnis dafür zu bekommen, wie dieses Verfahren funktioniert, stellen Sie sich bitte vor, dass Sie sich hoch über dem Äquator der Erde befinden und beobachten, wie die Erdoberfläche langsam unter Ihnen hinweg rotiert. Sobald eine spezielle Struktur, welche sich über dem Äquator befindet, gerade in Sicht kommt – also gerade erst über dem Horizont auftaucht – bewegt diese sich zunächst relativ schnell auf Sie zu. Sobald die Formation direkt unter Ihnen vorbeiläuft, ändert sich deren Abstand zu Ihnen zunächst nur noch unwesentlich. Rotiert das Objekt jedoch über den gegenüberliegenden Horizont wieder außer Sicht, dann ändert sich dessen Abstand zu Ihnen wieder deutlich schneller. Ein Objekt, welches sich in höheren nördlichen oder südlichen Breiten befindet, folgt dem gleichen Bewegungsmuster – nur, dass die Bewegungen auf den Beobachter zu oder von ihm weg nicht so ausgeprägt ausfallen wie für ein Objekt am Äquator. Für ein Objekt an einem der Pole bewirkt die Erdrotation dagegen keinerlei Abstandsänderungen relativ zum Beobachter.

Stellen Sie sich die gleiche Situation jetzt für den untersuchten Braunen Zwerg vor. Wenn ein hellerer Fleck auf der Oberfläche des Braunen Zwergs in Sicht rotiert, wird die Art und Weise, inwieweit sich dieser Fleck direkt auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt, davon abhängen, wo diese Struktur in Bezug auf den Äquator platziert ist und wie die Rotationsachse des Braunen Zwergs relativ zu dem Beobachter orientiert ist.

Im Fall von Luhman 16B konnten die Astronomen die Bewegung der Flecken zwar nicht direkt verfolgen, da sie nicht über ausreichend hoch aufgelöste Bilder verfügen. Aber die Bewegung in Richtung Beobachter oder von ihm weg lässt sich indirekt über den Dopplereffekt nachweisen. Wie der Schall so verändert auch das Licht seine Wellenlänge in systematischer Art und Weise, wenn sich die Lichtquelle auf den Beobachter zu oder aber von ihm weg bewegt. Das Ausmaß dieser Veränderung hängt davon ab, wie schnell und in welche Richtung die Bewegung erfolgt.

Für hellere Flecken auf der Oberfläche eines rotierenden Sterns ergibt sich auf diese Weise ein Muster von miteinander überlagerten Wellenlängenverschiebungen für das empfangene Licht. Die Details dieses Musters hängen von der Position der Flecken auf der Oberfläche ab, und deswegen lassen sich umgekehrt aus den Details des Musters Rückschlüsse darauf ziehen, wo auf der Oberfläche sich hellere Flecken befinden und auch darauf, wie hell diese ausfallen. Die Rekonstruktion der Oberfläche ist dabei nicht ganz eindeutig und mit einiger Unsicherheit behaftet. Die hier gezeigten Karten zeigen die Oberflächenstruktur, welche den beteiligten Wissenschaftlern als die wahrscheinlichste erscheint.

Ian Crossfield erklärt hierzu: „Frühere Beobachtungen haben bereits Hinweise darauf ergeben, dass Braune Zwerge eine gefleckte Oberfläche besitzen sollten. Jetzt können wir solch eine Oberfläche direkt kartieren. Bei dem, was wir sehen, dürfte es sich um eine unregelmäßige Wolkendecke handeln, nicht unähnlich der Oberfläche des Planeten Jupiter.“ Die Karten, welche Crossfield und seine Kollegen erstellt haben, sind so etwas wie die groben Versionen von Wetterkarten, wie wir sie von Satellitenaufnahmen unseres Heimatplaneten kennen.

„In Zukunft sollten wir dabei zusehen können, wie auf Luhman 16B Wolken neu entstehen, wie sie sich entwickeln und wieder verschwinden. Vielleicht sind wir dann irgendwann an einem Punkt angelangt, wo Exo-Meteorologen vorhersagen können, wann ein Besucher auf Luhman 16B klaren oder bewölkten Himmel erwarten könnte“, so Ian Crossfield weiter. Für menschliche Bedürfnisse dürfte die Wettervorhersage für Luhman 16B allerdings zu allen Zeiten „äußerst unangenehmes Wetter“ lauten, denn bei Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius handelt es sich bei diesen Wolken um Strukturen, welche aus winzigen Tröpfchen flüssigen Eisens und verschiedenen Mineralen bestehen, die in einer Wasserstoff-Atmosphäre schweben.

Die zweite Studie, welche von Beth A. Biller geleitet wurde (jetzt an der Universität Edinburgh tätig, während dieser Forschungen ebenfalls noch am MPIA beschäftigt), geht im wörtlichen Sinne weiter in die Tiefe. Wenn hellere und dunklere Wolken ins Blickfeld rotieren und anschließend wieder außer Sicht geraten, dann ändert sich auch die Gesamthelligkeit des Braunen Zwergs. Durch gleichzeitige Beobachtung der Helligkeitsveränderungen bei unterschiedlichen Wellenlängen konnten Beth Biller und ihre Kollegen rekonstruieren, was in unterschiedlichen Atmosphärenschichten sowohl von Luhman 16A als auch von Luhman 16B vor sich geht. Die entsprechenden Helligkeitsmessungen wurden im April 2013 mit der astronomischen Kamera GROND am 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO durchgeführt. GROND kann Aufnahmen einer Himmelsregion in sieben verschiedenen Wellenlängenbereichen simultan anfertigen.

Wieviel Licht ein Gas in diesen Wellenlängenbereichen jeweils aussendet, steht in einem direkten Zusammenhang mit der Temperatur dieses Gases, welche sich in unterschiedlichen Höhen in verschiedenen Atmosphärenschichten unterschiedlicher Temperatur in der Atmosphäre des Braunen Zwergs verändert. Beth Biller sagt zu der Bedeutung der gewonnenen Ergebnisse: „Unsere Daten zeigen, dass das Wettergeschehen auf diesen Braunen Zwergen durchaus komplex ist. Die Wolkenstruktur variiert, je nachdem wie tief man in die Atmosphäre blickt – wir haben es definitiv mit mehr als einer einzigen Wolkenschicht zu tun.“

In den Daten lassen sich unterschiedliche Wolkenregionen auseinanderhalten. Die Analyse der Helligkeitsvariationen zeigt, dass der Braune Zwerg über mehr als nur eine Atmosphärenschicht verfügen muss, welche zudem Wolken beherbergen und lokale Temperaturunterschiede aufweisen. Dies ist das erste Mal, dass solche komplexen Wetterverhältnisse auf einem Braunen Zwerg in dieser Weise nachgewiesen werden konnten. Jetzt sind zunächst wieder die Theoretiker am Zug, welche bessere und detailreichere Modelle für die Atmosphärenstruktur von Braunen Zwergen liefern müssen. Dies wird dann im Zusammenspiel mit zukünftigen Beobachtungsdaten dazu führen, dass die Astronomen die Braunen Zwerge deutlich besser verstehen werden als bisher möglich.

Bedeutung für die Exoplaneten-Forschung
Die Atmosphären von Braunen Zwergen weisen starke Ähnlichkeiten mit den Atmosphären heißer Gasriesen, den sogenannten „Hot Jupiters“, auf. Solche „Heiße Jupiter“ befinden sich allerdings sehr nah an ihren Muttersternen, welche wiederrum sehr viel heller sind als die sie umkreisenden Exoplaneten. Aus diesem Grund ist es nahezu unmöglich, das schwache Licht der dort befindlichen Planeten zu beobachten, welches durch das von dem Zentralstern ausgehende Licht überstrahlt wird. Im Fall von Braunen Zwergen gibt es jedoch keine Lichtquellen, welche das schwache Glühen dieser Objekte überstrahlen könnten, so dass man hier viel genauere Messungen durchführen kann. Durch Untersuchungen von relativ einfach zu beobachtenden Braunen Zwergen können Astronomen also zugleich mehr über die Atmosphären von jungen Gasriesen lernen.

Die Messungen sind allerdings noch in einem allgemeineren Zusammenhang von Interesse. Der Wunsch eines jeden „Exoplanetenjägers“ ist es vermutlich, bei seiner Suche eine „zweiten Erde“ zu entdecken – also einen außerhalb unseres Sonnensystems gelegenen Planeten, welcher theoretisch über die Umweltbedingungen verfügen könnte, welche die Entstehung und Weiterentwicklung von außerirdischen Lebensformen ermöglichen. Hierbei, so die Minimalanforderungen, müsste es sich um einen terrestrischen Planeten handeln, welcher seinen Zentralstern im Bereich von dessen habitablen Zone umläuft und der somit theoretisch Bedingungen aufweist, welche das dauerhafte Vorhandensein von Wasser im flüssigen Aggregatzustand ermöglichen.

Aber auch andere Faktoren, wie zum Beispiel die Atmosphärenzusammensetzung, die Temperatur, die Wetterverhältnisse oder die Eigenschaften der Oberfläche müssen dabei „stimmen“. Es gibt zwar einige Ansätze dafür, wie sich die entsprechenden Eigenschaften von kleinen, kühlen, erdähnlichen Planeten um andere Sterne modellieren lassen. Aber die Beobachtungen, anhand derer solche Modelle getestet und die so vermuteten Eigenschaften direkt überprüft werden können, dürften aller Voraussicht nach noch einige Jahrzehnte auf sich warten lassen. Die jetzt veröffentlichte Karte eines Braunen Zwergs, die weiteren Informationen über dessen Atmosphäre sowie im Rahmen einer anderen Studie erst jüngst veröffentlichte, allerdings deutlich niedriger aufgelöste Karten einer Exoplaneten-Oberfläche, sind erste wichtige Schritte, um in der Zukunft die Eigenschaften von erdähnlichen Planeten zu charakterisieren.

Beth Biller ergänzt: „Besonders aufregend ist für uns, dass unsere Beobachtungen nur der Anfang sind. Mit der nächsten Generation von Teleskopen, insbesondere mit dem European Extremely Large Telescope mit seinem Spiegeldurchmesser von 39 Metern, sollten wir Oberflächenkarten für noch entferntere Braune Zwerge erstellen können – und irgendwann dann auch einmal für junge Gasplaneten anderer Sterne.“

Ian Crossfield schließt mit der folgenden Bemerkung ab: „Unsere Karte des Braunen Zwergs hilft dabei, uns einen Schritt näher zum Verständnis von Wettermustern in unserem Sonnensystem zu bringen. Von klein auf wurde mir beigebracht die Schönheit und den Nutzen von Karten wertzuschätzen. Da ist es wirklich aufregend zu sehen, dass wir nun angefangen haben sogar Objekte außerhalb unseres Sonnensystems zu kartieren!“

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net

• Wolkenkarte eines Exoplaneten (3. Oktober 2013)
• Neue Nachbarn: Ein Sternenpaar in nur 6,5 Lichtjahren (11. März 2013)
• Das VLT entdeckt einen belebten Planeten – die Erde (1. März 2012)
• Unser brauner Zwergstern-Nachbar (25. März 2006)

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Braune Zwerge
• Aktuelle Diskussion zu Exoplaneten

Verwandte Seite bei Raumfahrer.net:

• Exoplaneten Newsarchiv

Fachartikel von Ian J. M. Crossfield et al.:

• A Global Cloud Map of the Nearest Known Brown Dwarf (PDF, engl.)

Fachartikel von Beth A. Biller et al.:

• Weather on the Nearest Brown Dwarfs: Resolved Simultaneous Multi-Wavelength Variability Monitioring… (PDF, engl.)

Der Beitrag Eine Wetterkarte von einem Braunen Zwerg erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Maria Steinrück. Quelle: NASA.

Nachdem erst in den vergangenen Wochen die Europäische Südsternwarte (ESO) die Entdeckung des ersten erdähnlichen Exoplaneten bekannt gab und CoRoT seinen ersten Exoplaneten fand, gibt es nun dank des Spitzer-Weltraumteleskopes neue Erkenntnisse über die Temperaturen zweier extrasolarer Planeten, HD 189733b und HD 149026b.
Bei beiden Planeten handelt es sich um sogenannte „Hot Jupiters“, zu denen etwa 50 der über 200 bekannten Exoplaneten gehören. Dieser Ausdruck kommt daher, dass es sich um Gasplaneten wie Jupiter handelt, die ihm in Größe und Masse ähneln, jedoch ihrem Stern viel näher und damit auch viel heißer sind. Die meisten von ihnen umkreisen ihre Sterne einmal innerhalb von zwei bis fünf Tagen. Aufgrund der extremen Nähe wirken auf diese Planeten sehr starke Gezeitenkräfte, die ihre Rotation vermutlich schon so stark abgebremst haben, sodass immer die gleiche Seite dem Stern zugewandt ist, so wie auch unser Mond der Erde immer die gleiche Seite zeigt. Dies nennt man auch gebundene Rotation.

Mit Spitzer können Astronomen die Infrarotstrahlung von Exoplaneten untersuchen und so Interessantes über die Atmosphären und Temperaturen dieser Planeten erfahren. Möglich ist das bei transitierenden Planeten, also Planeten, die von der Erde aus gesehen ständig vor ihrem Stern vorrüberziehen, hinter ihm verschwinden und dann wieder vor ihm auftauchen. Spitzer misst die Infrarotstrahlung sowohl während der Planet vor dem Stern ist, als auch während er von dem Stern verdeckt wird. Aus dem Unterschied ergibt sich dann die Wärmestrahlung, die der Planet selbst abgibt.

Heißester bekanntester Planet
Mit dieser Methode untersuchte ein Team aus Astronomen, angeführt von Joseph Harrington von der University of Central Florida in Orlando, den Planeten HD 149026b und machte dabei eine sensationelle Entdeckung: Die Temperatur des Planeten beträgt 2.038 Grad Celsius – damit ist der Planet sogar heißer als manche Sterne mit geringer Masse!

HD 149026b ist 256 Lichtjahre von uns entfernt und benötigt 2,9 Tage, um seinen Stern einmal zu umrunden. Er ist etwa so groß wie Saturn und damit der kleinste und dichteste transitierende Planet.

„Dieser Planet ist wie ein heißes Stück Kohle im Weltraum“, meinte Joseph Harrington. „Weil dieser Planet so heiß ist, glauben wir, dass sich die Hitze nicht ausbreitet. Die Tagseite ist sehr heiß und die Nachtseite wahrscheinlich viel kälter“, ergänzte er. Sein Kollege Drake Deming vom Goddard Space Flight Center der NASA sagte: „Dieser Planet ist abseits der Temperaturskala, die wir für Planeten erwarten.“

Vermutlich reflektiert der Planet kaum das Licht des Sternes, stattdessen absorbiert er das gesamte Licht, das ihn erreicht. Wenn er also alles Licht schluckt, ist er nicht nur der heißeste bekannte Planet, sondern auch der schwärzeste.

Erstmals Wärmeverteilung eines Exoplaneten gemessen
Bei einem anderen Planeten, HD 189733b, schaffte Spitzer etwas, was bisher noch nie bei einem extrasolaren Planeten gelang: Das Infrarotteleskop maß die Temperaturverteilung auf diesem Planeten. Aus diesen Daten konnten Astronomen dann eine „Wetterkarte“, d.h. eigentlich eine Karte, die die globale Wärmeverteilung zeigt, erstellen.

HD 189733b ist mit einer Entfernung von 63 Lichtjahren der unserer Erde am nächsten liegende bekannte transitierende Exoplanet. Daher ist es kein Wunder, dass er auch vor dieser Studie schon untersucht wurde. Er ist einer der zwei Exoplaneten, von denen bisher Spektraldaten gewonnen werden konnten. Für einen Umlauf um seinen Stern benötigt der Planet 2,2 Tage.

Während der Planet einmal um seinen Stern kreist, zeigt er uns seiner Position entsprechend unterschiedliche Seiten. Spitzer konnte so also den Planeten von allen Seiten aus beobachten und seine Temperatur dabei messen. Diese Daten wurden dann zu einer Karte mit der Temperaturverteilung des gesamten Planeten zusammengesetzt.

Die Temperaturen auf diesem Planeten sind relativ gleichmäßig: Auf der Nachtseite sind es etwa 650 Grad Celsius während die Temperatur auf der Tagseite ungefähr 930 Grad Celsius beträgt. Wenn man davon ausgeht, dass der Planet seinen Stern in einer gebundenen Rotation umkreist und daher immer die gleiche Seite des Planeten beschienen wird, ist das ein recht geringer Temperaturunterschied.

Die Astronomen vermuten deshalb, dass auf dem Planeten starke Winde herrschen, die für einen Wärmeausgleich sorgen. Diese Winde können Geschwindigkeiten von bis zu 9.600 Kilometern pro Stunde erreichen.

Der wärmste Fleck auf HD 189733b liegt interessanterweise nicht dort, wo der Stern im Zenit steht und auf dem Planeten Mittag ist, sondern 30 Grad östlich davon. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass die starken Winde ostwärts wehen.

„Diese Hot Jupiters werden mit 20.000 Mal so viel Energie pro Sekunde wie Jupiter bestrahlt. Jetzt können wir sehen, wie die Planeten mit dieser Energie umgehen“, erklärte David Charbonneau vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Der Beitrag Heißester Exoplanet und genaueste Temperaturmessungen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Spitzer Science Center.

„Das ist eine erstaunliche Überraschung“, sagte Spitzer-Projektwissenschaftler Dr. Michael Werner vom JPL der NASA in Pasadena. „Als wir Spitzer entwarfen, hätten wir nie gedacht, dass es zu einem so dramatischen Fortschritt in der Charakterisierung von Exoplaneten fähig wäre.“

Spitzer, neben Hubble das schärfste Auge der Menschheit im Orbit und auf Infrarotstrahlung spezialisiert, gewann Spektraldaten für zwei verschiedene extrasolare Planeten. Die beiden Gasriesen mit den kryptischen Kürzeln „HD 209458b“ und „HD 189733b“ ähneln Jupiter, umlaufen ihre Sonnen allerdings viel enger, enger noch als Merkur unsere Sonne umläuft. Folglich herrschen auf ihnen sehr hohe Temperaturen, weswegen sie auch als „Hot Jupiters“ bezeichnet werden.

Die ermittelten Spektren zeigen, dass die beiden Planeten trockener und wolkiger sind als vorausgesagt. Theoretiker hatten angenommen, dass „Hot Jupiters“ große Mengen von Wasser in ihrer Atmosphäre haben müssten, aber erstaunlicherweise wurde keines gefunden. Eine erste Erklärung lautet dahin gehend, dass Wasser vorhanden sein müsste, aber von einer dicken Schicht hoher Wolken verdeckt sein könnte, in denen kein Wasser vorkommt. Statt dessen könnten diese Wolken Staub enthalten. Einer der Planeten, HD 209458b, zeigt Hinweise auf sehr feine Sandkörner, auch Silikate genannt, in seiner Atmosphäre. Demnach müsste der Himmel dieses Planeten voller hoch fliegender Staubwolken sein – ein erstaunliches Phänomen, das auf keinem Planeten unseres Sonnensystems je beobachtet wurde.

„Die Köpfe der Theoretiker begannen zu rauchen, als sie die Daten sahen“, sagte Dr. Jeremy Richardson vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA. „Es ist nahezu unmöglich, dass Wasserdampf auf diesen Planeten nicht vorkommt. Also muss er verdeckt werden, und zwar wahrscheinlich von dieser Staubwolkenschicht, die wir in unserem Spektrum entdeckt haben.“ Richardson ist Hauptautor eines Artikels in der Februarausgabe von „Nature“, in dem ein Spektrum von HD 209458b beschrieben wird.

Außer Richardsons Team nutzten noch zwei weitere Gruppen von Astronomen Spitzer, um Spektren von Exoplaneten zu gewinnen. Ein Team um Dr. Carl Grillmair vom Spitzer Science Center an der Caltech-Universität beobachtete HD 189733b, während das Team von Dr. Mark R. Swain am JPL sich mit dem selben Planeten wie Richardson beschäftigte. Grillmairs Resultate werden in den „Astrophysial Journal Letters“ veröffentlicht und Swains Ergebnisse wurden ebenfalls an diese Publikation gesandt.
Ein Spektrum entsteht, wenn ein Instrument, das man als Spektrograph bezeichnet, Licht von einem Objekt in seine verschiedenen Wellenlängen aufspaltet, ähnlich wie ein Prisma das Sonnenlicht als Regenbogen erscheinen lässt. Das resultierende Lichtmuster, die Spektrallinien, enthüllen die „Fingerabdrücke“ der Chemikalien, aus denen das Objekt besteht.

Bis heute waren die einzigen Planeten, von denen Spektren gewonnen werden konnten, jene altbekannten Planeten unseres eigenen Sonnensystems. Die Planeten der neuen Spitzer-Studien umkreisen hingegen Sterne in solchen Entfernungen, dass sie mit dem bloßen Auge nicht mehr gesehen werden können. HD 189733b ist etwa 63 Lichtjahre (600 Billionen Kilometer) weit entfernt in der Konstellation Vulpecula, und HD 209458b gar etwa 150 Lichtjahre (1.500 Billionen Kilometer) in der Konstellation Pegasus. Das bedeutet, dass beide Planeten mindestens eine Million mal weiter weg sind als Jupiter.
Das Spitzer-Team konnte die Spektren aus dem kläglichen Licht der beiden Planeten nur herauskitzeln, indem es eine Technik namens „sekundäre Eklipse“ anwandte. Diese Methode funktioniert nur mit transitierenden Exoplaneten, deren Rotationsachse um ihre Sonne senkrecht zur Achse Erde-Exoplanet steht. Die Bahn eines solchen Planeten um seine Sonne erscheint also aus unserer Sicht als eine Linie, und pro Umlauf wird der Planet einmal von seiner Sonne verdeckt und verschwindet kurzfristig aus der Sicht von Spitzers Spektrographen. Diese kurze Verdeckung oder Eklipse ist entscheidend: Denn wenn man die Differenz zwischen dem Spektrum „Sonne mit Planet“ und dem Spektrum „Sonne ohne Planet“ bestimmen kann, hat man eben das wertvolle Spektrum eines extrasolaren Planeten.

Das ist zwar logisch, aber in der Praxis ist dieser Unterschied extrem klein und erfordert eine messtechnische Meisterleistung. Denn der Planet sendet ja nicht selbst Licht aus, sondern seine Oberfläche oder Atmosphäre reflektiert lediglich das Licht seiner Sonne, und dieses bisschen reflektierte Licht vom Planeten wird vom Licht des Sterns selbst auch noch millionenfach überstrahlt. Dennoch ist es möglich: 2005 nutzte Spitzer diese Methode erstmals, um das kaum wahrnehmbare Licht von einem Exoplaneten direkt nachzuweisen. Und diesen winzigen Unterschied jetzt nicht nur gemessen, sondern auch noch in Form eines auswertbaren Spektrums quantifizierbar gemacht zu haben, das genau ist der neuerliche Durchbruch des Spitzer-Teams.
Dass ausgerechnet das Infrarotteleskop Spitzer in der Exoplanetenforschung so reüssiert, ist allerdings kein Zufall: Planeten sind im Infraroten heller als in den sichtbaren Wellenlängen, daher ist ihr Licht „leichter“ vom überwältigenden Gleißen ihres Sterns zu unterscheiden.

„Als wir damit begannen, derartige Beobachtungen vorzuschlagen, dachten viele Leute, dass es nicht funktionieren würde“, sagte Grillmair. „Aber Spitzer hat sich als hervorragend konstruiert erwiesen und war der Aufgabe mehr als gewachsen.“

Frühere Beobachtungen von HD 209458b mit dem Hubble-Teleskop ergaben Hinweise auf einzelne Elemente wie etwa Natrium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, die den Planeten in einer größeren Höhe umkreisen dürften als in den Spitzer-Studien und damit in einem Bereich, wo Moleküle wie Wasser auseinander brechen würden. Dazu maß Hubble Lichtänderungen des Sterns, wenn der Planet vor seinem Stern her passierte (primäre Eklipse) und das Licht seine Atmosphäre durchstrahlte. Schon diese Beobachtungen zeigten weniger Natrium als angenommen, was ebenfalls die These stützt, dass der Planet in hohe Staubwolken eingehüllt ist.

Die Forscher hoffen, Spitzer für weitere Studien von transitierenden Exoplaneten einsetzen zu können. Von den bis jetzt bekannten etwa 200 Exoplaneten transitieren 14. Nach HD 209458b und HD 189733b sind mindestens drei weitere Kandidaten für Spektraluntersuchungen bekannt. Außerdem werden weitere Spektralstudien von HD 209458b und HD 189733b weiter führende Informationen über die Atmosphären dieser Planeten liefern. Für die Zukunft erhoffen sich Astronomen auch Spektren von kleineren, felsigen Exoplaneten. Das würde ihnen erlauben, nach den anzunehmenden Schlüsselmolekülen für die Existenz von Leben zu suchen, wie etwa Wasser, Sauerstoff und vielleicht sogar Chlorophyll, dem wichtigsten Bestandteil der Pflanzen.

„Mit diesen neuen Beobachtungen können wir nun beginnen, die Werkzeuge für die Suche nach Leben zu entwickeln und zu verfeinern, die wir eines Tages brauchen werden“, sagte Swain. „Das hier ist so etwas wie eine Generalprobe.“

Der Beitrag Spitzer: Erste Molekülspektren von Exoplaneten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.