Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 13. Oktober 2022.

13. Oktober 2022 – Die Entdeckung von Barium in großen Höhen in den Atmosphären der ultraheißen Gasriesen WASP-76 b und WASP-121 b – zwei Exoplaneten, also Planeten, die um Sterne außerhalb unseres Sonnensystems kreisen – war eine Überraschung. Diese unerwartete Entdeckung gibt Rätsel darüber auf, wie diese exotischen Atmosphären beschaffen sein könnten.

„Das eigentlich Rätselhafte und Paradoxe ist: Warum befindet sich ein so schweres Element in den oberen Schichten der Atmosphäre dieser Planeten?“, sagt Tomás Azevedo Silva, Doktorand an der Universität Porto und dem Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) in Portugal, der die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie leitete.

WASP-76 b und WASP-121 b sind keine gewöhnlichen Exoplaneten. Beide sind als ultraheiße Jupiter bekannt, da sie von der Größe her mit dem Jupiter vergleichbar sind und gleichzeitig extrem hohe Oberflächentemperaturen von über 1000 °C aufweisen. Die Ursache dafür ist die große Nähe zu ihren Wirtssternen, was auch bedeutet, dass ein Umlauf um den jeweiligen Stern nur ein bis zwei Tage dauert. Dies führt zu recht exotischen Eigenschaften dieser Planeten; bei WASP-76 b vermuten die Astronomen beispielsweise, dass es Eisen regnet.

Dennoch waren die Wissenschaftler überrascht, in den oberen Atmosphären von WASP-76 b und WASP-121 b Barium zu finden, das 2,5 Mal schwerer ist als Eisen. „Angesichts der hohen Schwerkraft der Planeten würden wir erwarten, dass schwere Elemente wie Barium schnell in die unteren Schichten der Atmosphäre fallen“, erklärt Koautor Olivier Demangeon, ebenfalls Forscher an der Universität Porto und am IA.

„In gewisser Weise war das eine »zufällige« Entdeckung“, sagt Azevedo Silva. „Wir hatten Barium weder erwartet noch danach gesucht. Wir mussten uns vergewissern, dass es tatsächlich von dem Planeten stammt, da es noch nie zuvor in einem Exoplaneten nachgewiesen worden war.“

Die Tatsache, dass Barium in den Atmosphären dieser beiden ultraheißen Jupiter nachgewiesen wurde, deutet darauf hin, dass diese Planetenkategorie noch sonderbarer sein könnte, als bisher angenommen. Obwohl wir Barium gelegentlich an unserem eigenen Himmel als leuchtend grüne Farbe in Feuerwerkskörpern sehen, stellt sich für die Forschenden die Frage, welcher natürliche Prozess dazu führen könnte, dass dieses schwere Element in diesen Exoplaneten in so großen Höhen vorkommt. „Derzeit sind wir uns über die Mechanismen noch nicht im Klaren“, erklärt Demangeon.

Für die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten sind die ultraheißen Jupiter äußerst nützlich. Wie Demangeon erklärt: „Da sie gasförmig und heiß sind, dehnen sich ihre Atmosphären sehr weit aus und sind daher leichter zu beobachten und zu untersuchen als die von kleineren oder kühleren Planeten.“

Die Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten erfordert eine sehr spezielle Ausrüstung. Das Team nutzte das ESPRESSO-Instrument am VLT der ESO in Chile, um Sternenlicht zu analysieren, das durch die Atmosphären von WASP-76 b und WASP-121 b gefiltert worden war.

Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass wir erst an der Oberfläche der Geheimnisse der Exoplaneten gekratzt haben. Mit zukünftigen Instrumenten wie dem hochauflösenden ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES) werden die Astronomen in der Lage sein, die Atmosphären von großen und kleinen Exoplaneten, einschließlich der Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten, sehr viel eingehender zu erforschen. ANDES wird am kommenden Extremely Large Telescope (ELT) der ESO zum Einsatz kommen. So können sie weitere Hinweise auf die Eigenschaften dieser seltsamen Welten sammeln.

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in der Veröffentlichung „Detection of Barium in the atmospheres of ultra-hot gas giants WASP-76b & WASP-121b“ vorgestellt, die in Astronomy & Astrophysics erscheint (doi: 10.1051/0004-6361/202244489) (https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/10/aa44489-22/aa44489-22.html).

Das Team besteht aus T. Azevedo Silva (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA/UPorto, CAUP] und Departamento de Física e Astronomia Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, Portugal [FCUP]), O. D. S. Demangeon (IA/UPorto, CAUP und FCUP), N. C. Santos (IA/UPorto, CAUP und FCUP), R. Allart (Fachbereich Physik und Institut für die Erforschung von Exoplaneten, Université de Montréal, Kanada und Observatoire astronomique de l’Université de Genève, Schweiz [UNIGE]), F. Borsa (INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, Italien) , E. Cristo (IA/UPorto, CAUP und FCUP) , E. Esparza-Borges (Instituto de Astrofísica de Canarias, Spanien [IAC] und Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien [IAC-ULL]) , J. V. Seidel (Europäische Südsternwarte, Chile [ESO Chile]) , E. Palle (IAC) , S. G. Sousa (IA/UPorto), H. M. Tabernero (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Spanien [CSIC-INTA]), M. R. Zapatero Osorio (CSIC-INTA), S. Cristiani (INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste, Italien [INAF Trieste]), F. Pepe (UNIGE) , R. Rebolo (IAC und IAC-ULL) , V. Adibekyan (IA/UPorto und FCUP), Y. Alibert (Physikalisches Institut, Universität Bern, Schweiz), S. C. C. Barros (IA/UPorto und FCUP), V. Bourrier (UNIGE) , P. Di Marcantonio (INAF Trieste), V. D’Odorico (INAF Trieste, Scuola Normale Superiore, Italien und Institut für Fundamentalphysik des Universums, Trieste, Italien [IFPU]), D. Ehrenreich (UNIGE und Centre Vie dans l’Univers, Faculté des sciences de l’Université de Genève, Schweiz), P. Figueira (UNIGE und IA/UPorto), J. I. González Hernández (IAC und Universidad de La Laguna, Departamento de Astrofísica, Spanien), C. J. A. P. Martins (UA/UPorto und Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Portugal), A. Mehner (ESO Chile) , G. Micela (INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo, Italien), P. Molaro (INAF Trieste und IFPU), D. Mounzer (UNIGE), N. J. Nunes (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa und Departamento de Física, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal), A. Sozzetti (INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino, Italien), A. Suárez Mascareño (IAC und IAC-ULL), und S. Udry (UNIGE).

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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.

ESO-Paper:
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2213/eso2213a.pdf

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• Exoplaneten

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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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