Nicht viele Sterne können von sich behaupten, beinahe unser Verständnis vom Universum kaputt gemacht zu haben – aber ein Stern mit der Bezeichnung HD 140283 hätte es fast geschafft: Im Jahr 2000 schätzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sein Alter auf 16 Milliarden Jahre. Und damit wäre dieser so unscheinbare Stern älter als das Universum selbst. Er liegt in rund 190 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage und ist von der Erde aus zwar nicht mit dem bloßen Auge, aber doch immerhin schon mit einem Fernglas sichtbar. Seinen Spitznamen als „Methusalem-Stern“ hat er sich damit mehr als verdient.

In den darauffolgenden Jahren korrigierten neue Messungen und Studien dieses Alter glücklicherweise nach unten. Inzwischen gilt HD 140283 zwar immer noch als alt, aber nicht mehr als älter als das Universum selbst. Trotz seines stolzen Alters ist eines wissenschaftlich sicher: Der Methusalem-Stern ist keiner von den allerersten Sternen, die es in unserem Universum je gegeben hat – doch auf die haben sie es abgesehen.

Forschende bezeichnen jene ersten Sterne im Universum auch als Sterne der Population III. Es sind die Sterne, die nach dem Urknall als erstes Licht ins Dunkel brachten. Damals, vor Milliarden von Jahren, gab es im Universum vor allem Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne haben jene massereicheren Elemente hergestellt, die wir heute kennen und schätzen – und ohne die es uns nicht geben würde: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und noch schwerere Elemente bis hin zum Eisen.

Somit ist zwar vollkommen klar, dass es diese ersten Sterne gegeben haben muss. Und doch haben Forschende noch nie einen solchen Stern beobachtet, trotz Jahrzehnten der intensiven Suche.

In dieser Folge erzählt Franzi von dieser Suche nach den Sternen der Population III, die Licht ins Universum gebracht haben – eine Suche, für die Forschende versuchen, mit dem James Webb-Weltraumteleskop so weit in die Vergangenheit zu blicken wie möglich. Aber auch unsere eigene Milchstraße bleibt ein möglicher Fundort für die wahren Methusalem-Sterne.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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• AstroGeo Podcast
• Population III Sterne

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Quelle: ESON 26. Februar 2024.

26. Februar 2024 – „Wir wissen, dass sich einige Weiße Zwerge – die langsam auskühlenden, glühenden Reste von Sternen wie unsere Sonne – Teile ihrer Planetensysteme einverleiben. Jetzt haben wir entdeckt, dass das Magnetfeld des Sterns bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle spielt. Das Ergebnis ist eine Art Narbe auf der Oberfläche des Weißen Zwerges“, sagt Stefano Bagnulo, Astronom am Armagh Observatory and Planetarium in Nordirland, Vereinigtes Königreich, und Hauptautor der Studie.

Bei der vom Team beobachteten Narbe handelt es sich um eine Anhäufung von Metallen auf der Oberfläche des Weißen Zwerges WD 0816-310, dem erdgroßen Überrest eines Sterns, der unserer Sonne ähnelte, aber etwas größer war als sie. „Wir haben festgestellt, dass diese Metalle von einem Planetenfragment stammen, das so groß ist wie oder möglicherweise größer als Vesta. Vesta hat einen Durchmesser von etwa 500 Kilometern und ist der zweitgrößte Asteroid im Sonnensystem“, sagt Jay Farihi, Professor am University College London, Großbritannien, und Mitautor der Studie.

Die Beobachtungen lieferten auch Hinweise darauf, woher der Stern seine Metallnarbe hat. Das Team stellte fest, dass sich die Stärke des metallischen Abdrucks mit der Rotation des Sterns veränderte. Dies deutet darauf hin, dass sich die Metalle auf einen bestimmten Bereich auf der Oberfläche des Weißen Zwerges konzentrieren und nicht gleichmäßig über ihn verteilt sind. Sie fanden auch heraus, dass diese Veränderungen mit den Schwankungen des Magnetfelds des Weißen Zwerges einhergingen, was darauf hindeutet, dass sich diese Metallnarbe an einem seiner Magnetpole befindet. Zusammengenommen deuten diese Hinweise darauf hin, dass das Magnetfeld Metalle auf den Stern schleuste, wodurch die Narbe entstand [1].

„Überraschenderweise war das Material nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Sterns verteilt, wie es theoretisch vorhergesagt wurde. Stattdessen handelt es sich bei dieser Narbe um einen konzentrierten Fleck aus Planetenmaterial, der von demselben Magnetfeld festgehalten wird, das auch die einfallenden Fragmente abgelenkt hat“, sagt Mitautor John Landstreet, Professor an der University of Western Ontario, Kanada. Er ist auch am Armagh Observatorium and Planetarium tätig. „So etwas hat man noch nie gesehen.“

Um zu diesen Schlussfolgerungen zu gelangen, nutzte das Team den Alleskönner am VLT namens FORS2, mit dem sie die Metallnarbe nachweisen und mit dem Magnetfeld des Sterns in Verbindung bringen konnten. „Die ESO verfügt über die einzigartige Kombination von Fähigkeiten, die für die Beobachtung schwacher Objekte wie Weißer Zwerge und die empfindliche Messung stellarer Magnetfelder erforderlich sind“, sagt Bagnulo. In seiner Studie stützte sich das Team auch auf Archivdaten des X-shooter-Instruments des VLT, um seine Ergebnisse zu bestätigen.

Mithilfe solcher Beobachtungen können Astronominnen und Astronomen die Zusammensetzung der Masse von Exoplaneten, also Planeten, die andere Sterne außerhalb des Sonnensystems umkreisen, ermitteln. Diese einzigartige Studie zeigt auch, wie Planetensysteme dynamisch aktiv bleiben können, selbst nach ihrem „Tod“.

Endnoten
[1] In der Vergangenheit haben Astronominnen und Astronomen zahlreiche Weiße Zwerge beobachtet, die durch über die Oberfläche des Sterns verstreute Metalle verunreinigt waren. Es ist bekannt, dass diese von zerbrochenen Planeten oder Asteroiden stammen, die dem Stern zu nahe gekommen sind. Sie folgen Bahnen, die ähnlich wie die von Kometen in unserem Sonnensystem den Stern streifen. Bei WD 0816-310 ist das Team jedoch zuversichtlich, dass verdampftes Material ionisiert und durch das Magnetfeld des Weißen Zwerges auf die Magnetpole gelenkt wurde. Dieser Prozess ähnelt der Entstehung von Polarlichtern auf der Erde und auf dem Jupiter.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Discovery of magnetically guided metal accretion onto a polluted white dwarf“ (Entdeckung der magnetisch gesteuerten Metallakkretion auf einem verunreinigten Weißen Zwerg) vorgestellt, die in The Astrophysical Journal Letters (doi:10.3847/2041-8213/ad2619) erscheint.

Das Team besteht aus Stefano Bagnulo (Armagh Observatory & Planetarium, Vereinigtes Königreich [Armagh]), Jay Farihi (Department of Physics and Astronomy, University College London, Vereinigtes Königreich), John D. Landstreet (Armagh; Department of Physics & Astronomy, Western University, Kanada) und Colin P. Folsom (Tartu Observatory, University of Tartu, Estland).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsartikel
pdf: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2403/eso2403a.pdf

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• Weisse Zwerge

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Quelle: MPIA 22. Juni 2023.

22. Juni 2023 – Das Ergebnis ermöglicht zudem eine neue Art von Vergleich zwischen unserer Heimatgalaxie und den vielen fernen Galaxien, die wir von außen beobachten. Es liefert damit einen Teil der Antwort auf die alte Frage, ob unsere Heimatgalaxie etwas Besonderes ist: Zumindest was die chemische Zusammensetzung betrifft, ist unsere Milchstraße ungewöhnlich, aber nicht einzigartig.

Wir sehen ferne Galaxien von außen: Teleskopbeobachtungen zeigen uns die Form einer Galaxie und ihr Spektrum (die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts eines Himmelsobjekts). Wie würde also unsere eigene Galaxie aus dieser Perspektive für „extragalaktische“ Astronom*innen aussehen, die nicht von unserer eigenen, sondern von einer anderen Galaxie aus das Weltall erforschen? Das ist eine schwierigere Frage, als es zunächst scheinen mag. Schließlich haben die Astronom*innen hier auf der Erde recht raffinierte Methoden entwickelt, um aus ihren Beobachtungen die Eigenschaften einer Galaxie zu rekonstruieren, und extragalaktische Astronom*innen dürften ihnen darin nicht nachstehen.

Die Antwort auf die Frage nach den Erkenntnissen extragalaktischer Astronom*innen ist damit gar nicht so einfach zu beantworten. Aber die Antwort ist durchaus auch für unsere irdische Forschung interessant. Jianhui Lian (Max-Planck-Institut für Astronomie und Universität Yunnan), der Hauptautor der jetzt veröffentlichten Studie, sagt: „Seit Astronom*innen vor hundert Jahren erkannt haben, dass die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum ist, haben sie sich gefragt, ob unsere Milchstraße etwas Besonderes ist oder nicht. Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir Möglichkeiten finden, unsere Heimatgalaxie mit weit entfernten Galaxien zu vergleichen.“

Fortschritte bei Daten und Simulationen
Die Frage mag alt sein; dass wir darauf für die Chemie unserer Heimatgalaxie eine Antwort finden können, ist dagegen durchaus neu. Zum einen hat es in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte bei der systematischen Erforschung unserer Heimatgalaxie gegeben. Durchmusterungen wie APOGEE haben mit Hilfe der Auswertung von Sternspektren Informationen über die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die 3D-Bewegungen von Millionen einzelner Sterne in unserer Milchstraße geliefert. Auch für weit entfernte Galaxien gibt es viel mehr und viel bessere Daten als je zuvor. Bei der MaNGA-Durchmusterung beispielsweise wurden fast 10 000 Galaxien eingehend untersucht. Während frühere Durchmusterungen, die auf so viele Galaxien abzielten, nur ein Gesamtspektrum pro Galaxie lieferten, zeichnet MaNGA ein „spektrales Bild“, das zeigt, wie z. B. die chemische Zusammensetzung jeder Galaxie vom Zentrum zu den äußeren Regionen hin variiert.

Nicht zuletzt zeichnen moderne Simulationen der Galaxienentstehung und -entwicklung, wie die TNG50-Simulation (https://www.tng-project.org), die Geschichte von Tausenden von Galaxien in einem Modelluniversum von der Zeit nach dem Urknall bis zur Gegenwart nach. All diese Fortschritte waren nötig damit wir eine Antwort auf die Frage finden können, was außergalaktische Astronom*innen herausfänden, wenn sie ihre Teleskope auf die Milchstraße richten und deren chemische Zusammensetzung studieren würden.

Extragalaktische Astronomie
Genau das hat eine neue Studie unter der Leitung von Lian und Maria Bergemann (Max-Planck-Institut für Astronomie) getan. Konkret untersuchten Lian, Bergemann und ihre Kollegen die chemische Zusammensetzung von Sternen. Die Sterne, die wir um uns herum sehen, bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium. Sie enthalten aber auch ein paar Elemente, die schwerer sind als Helium – solche Elemente heißen in der Astronomie (aber nicht in der gewöhnlichen Chemie!) „Metalle“.

Einige dieser Metalle entstehen im Inneren von Sternen und werden in den Weltraum geschleudert, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Andere entstehen in den äußeren Schichten aufgeblähter Riesensterne und werden von dort aus ins All geschleudert. Dabei gibt es einen allgemeinen Trend: Die Konzentration von Metallen im interstellaren Medium – in dem dünnen Gemisch aus Gas und Staub, das den Raum zwischen den Sternen ausfüllt – nimmt mit der Zeit zu. Sterne, die früher geboren wurden, enthalten weniger Metalle, später geborene Sterne enthalten mehr. Findet man heraus, in welchen Regionen einer Galaxie es Sterne mit weniger oder mehr Metallen gibt, dann kann man auf diese Weise rekonstruieren, in welcher Region die Sterne früher und in welcher Region sie später entstanden sind.

Von der lokalen Kosmologie zur Außenansicht
Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist derzeit die einzige Spiralgalaxie, in der wir direkt eine groß angelegte Durchmusterung vieler einzelner Sterne durchführen können. Wir können die Positionen von Sternen innerhalb unserer Galaxie messen und über ihre Spektren ihren Metallgehalt, ihre Oberflächentemperatur und andere physikalische Eigenschaften feststellen. Lian, Bergemann und ihre Kollegen machten sich daran, zu rekonstruieren, was extragalaktische Astronom*innen sehen würden, wenn sie das Vorkommen von Metallen in der Milchstraße kartieren würden. Da unsere Heimatgalaxie eine Scheibengalaxie ist, lautet die Schlüsselfrage: Wie würde eine extragalaktischer Astronom*in aus der Ferne die Häufigkeit von Metallen in Abhängigkeit von der Entfernung einer Region vom Zentrum unserer Galaxie rekonstruieren?

Das herauszufinden erfordert einiges an Arbeit. Die Daten aus der APOGEE-Durchmusterung waren nur der Ausgangspunkt. Als Nächstes mussten die Forscher*innen die Tatsache berücksichtigen, dass wir von der Erde aus keinen freien Blick auf die Milchstraße haben: In einigen Richtungen befindet sich mehr Staub zwischen uns und weiter entfernten Sternen, der das Licht der Sterne abschwächt und einige der schwächsten Sterne ganz verdeckt. In anderen Richtungen wird es weniger Staub geben. Die Forscher*innen mussten die Beobachtungsdaten sowie das, was wir über Staub und die Eigenschaften von Sternen wissen, kombinieren, um die tatsächliche Verteilung der Sterne in unserer Galaxie zu rekonstruieren.

Der hochmetallische „Gürtel“ unserer Galaxis
Die Ergebnisse lieferten eine Überraschung. Verfolgt man den durchschnittlichen Metallgehalt der Sterne vom Zentrum der Galaxie aus nach außen, so steigt er an und erreicht in einer Entfernung von etwa 23 000 Lichtjahren vom Zentrum einen Metallgehalt, der dem unserer Sonne nahe kommt. (Zum Vergleich: Unsere Sonne ist rund 26 000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.) In noch größerer Entfernung sinkt der durchschnittliche Metallgehalt dann allerdings wieder ab und beträgt in etwa 50 000 Lichtjahren Entfernung vom Zentrum nur noch ein Drittel des Sonnenwerts.

Um zu verstehen, was dort vor sich ging, untersuchten die Forscher Sterne verschiedener Altersgruppen – die APOGEE-Spektren ermöglichen immerhin eine grobe Schätzung des Sternalters. Bei der getrennten Betrachtung jüngerer und älterer Sterne stellten sie fest, dass jede Altersgruppe für sich einem ungebrochenen Trend folgt, mit einem höheren Metallgehalt näher am Zentrum und einem niedrigeren weiter außen. Der Anstieg und das Maximum der Gesamtverteilung waren ausschließlich darauf zurückzuführen, dass ältere Sterne (mit viel geringerem Metallgehalt) in der Nähe des galaktischen Zentrums häufiger vorkamen und somit den Gesamtdurchschnitt nach unten zogen, während jüngere Sterne weiter draußen häufiger wurden.

Unsere Milchstraße im intergalaktischen Vergleich
Lian, Bergemann und ihre Kollegen verglichen dieses interessante Ergebnis mit den Eigenschaften anderer Galaxien. Einerseits betrachteten sie dazu 321 Galaxien in der MaNGA-Durchmusterung, die alle eine ähnliche Masse wie die Milchstraße haben, ähnliche Mengen an Sternen produzieren und die wir alle einigermaßen in Draufsicht sehen, so dass die Änderung der durchschnittlichen Metallizität gemessen werden kann. Andererseits wandten die Forscher*innen die gleichen Kriterien an, um 134 milchstraßenähnliche Galaxien im Modelluniversum der TNG50-Simulation zu identifizieren.

Wie besonders ist also unsere Heimatgalaxie – oder eben nicht? Die Antwort in Bezug auf die chemische Zusammensetzung: Was die Verteilung der Metallhäufigkeiten angeht, ist unsere Milchstraße zwar ungewöhnlich, aber nicht einzigartig. Nur 11 % der Galaxien in der TNG50-Stichprobe und etwa 1 % der Galaxien in der MaNGA-Stichprobe zeigten ein ähnliches Auf und Ab der durchschnittlichen Metallizität. Die Diskrepanz zwischen 11 % und 1 % dürfte auf eine Kombination aus Unsicherheiten in den MaNGA-Daten und auf die Grenzen des Realismus des TNG50-Modelluniversums zurückzuführen zu sein.

Außerdem ist die Abnahme der durchschnittlichen Metallizität in den äußeren Regionen mit zunehmender Entfernung vom Zentrum bei der Milchstraße im Vergleich zu den MaNGA- und TNG50-Galaxien eher steil.

Die Frage nach dem Warum
Warum also hat die Milchstraße diese vergleichsweise ungewöhnlichen Eigenschaften, und was bedeuten diese Eigenschaften für die Entstehungsgeschichte unserer Heimatgalaxie? Es gibt mehrere Möglichkeiten, die vergleichsweise geringe Anzahl metallreicher Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums zu erklären. Sie könnte mit der Entstehung des so genannten Bulge zusammenhängen, einer näherungsweise kugelförmigen Region älterer Sterne, die das galaktische Zentrum in einer Entfernung von etwa 5000 Lichtjahren umgibt. Die Bildung des Bulges dürfte den größten Teil des verfügbaren Wasserstoffgases verbraucht haben, was die spätere Sternbildung in diesem Bereich erheblich erschwert hätte. Alternativ könnte die Knappheit mit einer aktiven Phase zusammenhängen, in der aus der unmittelbaren Nachbarschaft des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie Teilchen und Strahlung emittiert wurden, die die Sternentstehung hemmten.

Die Metallizität in den äußeren Regionen kann durch verschiedene Szenarien erklärt werden, welche die Entwicklung des Gases in unserer Heimatgalaxie mit der Geschichte der Sternentstehung in der galaktischen Scheibe kombinieren. Der steile Rückgang könnte ein Zeichen für eine ungewöhnliche Episode in der Geschichte unserer Galaxie sein – zum Beispiel könnte er darauf zurückgehen, dass unsere Heimatgalaxie eine kleinere Galaxie mit Gas „verschluckte“, die nur sehr wenig an Metallen enthielt. Dieses Gas hätte dann später als Rohstoff für die Bildung von Sternen mit weniger Metallen in der Scheibe gedient. Außerdem ist möglich, dass unsere Schätzung für die Ausdehnung der stellaren Scheibe der Milchstraße falsch ist und dass dieser Fehler den Vergleich mit anderen Galaxien verzerrt, wenn es darum geht zu beurteilen, wie steil die Metallizität abnimmt.

Ausblick
Maria Bergemann sagt zu den neuen Ergebnissen: „Die Ergebnisse sind sehr spannend! Das hier ist das erste Mal, dass wir die chemische Zusammensetzung unserer Galaxis sinnvoll mit den Messungen an zahlreichen anderen Galaxien vergleichen können. Die Ergebnisse sind wichtig für die nächste Generation umfassender Studien zur Galaxienentstehung. Solche Studien werden Daten aus zukünftigen, groß angelegten Beobachtungsprogrammen nutzen, die auf die Milchstraße oder auf weit entfernte Galaxien abzielen. Unsere Forschung zeigt, wie man diese beiden Arten von Datensätzen sinnvoll kombinieren kann.“

Alles in allem wirft die hier beschriebene Forschung eine Reihe von interessanten Fragen auf. Mit neuen Durchmusterungen und neuen Studien, die die Perspektive eines „extragalaktischen Astronom*innen“ einnehmen, können wir hoffen, Antworten zu finden und dabei die Geschichte unserer Heimatgalaxie besser zu verstehen.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als J. Lian et al. „The integrated metallicity profile of the Milky Way“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41550-023-01977-z, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z, pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z.pdf).

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Jianhui Lian (außerdem Universität Yunnan), Maria Bergemann und Annalisa Pillepich in Zusammenarbeit mit Gail Zasowski (University of Utah) und Richard R. Lane (Universidad Bernardo O’Higgins, Santiago, Chile).

Diese Forschung wurde im Rahmen des ERC-Projekts ELEMENTS (https://www2.mpia-hd.mpg.de/~bergemann/elements.html) durchgeführt.

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• Die Milchstraße

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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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