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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• Weltraumteleskop Cheops – CHaracterising ExOPlanets Satellite

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Quelle: DLR.

Erste Messergebnisse des europäischen Weltraumteleskops CHEOPS zeigen, dass der Riesenplanet WASP-189b in 326 Lichtjahren Entfernung so heiß glüht wie ein kleiner Stern und sich im schnellen Umlauf um sein Zentralgestirn auf einer ungewöhnlichen Bahn über dessen Pole bewegt. Mit 3200 Grad Celsius ist er einer der heißesten Körper der über 4000 bekannten Exoplaneten. Die im vergangenen Jahr gestartete Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA zeigt höchste Präzision in der Charakterisierung extrasolarer Planeten. An CHEOPS beteiligte Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben an den Auswertungen mitgewirkt, die nun im Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden.

„Der Planet WASP-189b ist seit 2018 bekannt. Wegen seiner ungewöhnlichen Umlaufbahn nah am Zentralstern haben wir ihn mit CHEOPS sehr früh unter die Lupe genommen“, erklärt Szilárd Csizmadia vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Die genauen Messungen mit CHEOPS offenbaren jetzt seinen außergewöhnlichen Charakter: Es handelt sich um einen ultra-heißen Planeten, der fast den 1,6-fachen Durchmesser Jupiters aufweist und dessen Bahn um seinen Stern seltsam gekippt ist.“

Das Weltraumteleskop CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) wurde am 18. Dezember 2019 in einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 700 Kilometer Höhe über der Erde platziert. Seitdem beobachtet CHEOPS Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft, von denen man weiß, dass sie von Planeten umkreist werden. Es ist sozusagen der berühmte ‚zweite Blick‘ auf diese Exoplaneten: Durch die ultrapräzise Messung kann CHEOPS diese Planeten charakterisieren – und damit unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung planetarer Systeme extrem erweitern.

Die Planeten-Okkultation verriet die hohe Temperatur
CHEOPS misst Transitsignale mit höchster Genauigkeit, also den winzigen Lichtabfall, wenn ein Planet auf seiner Umlaufbahn vor seinem Stern vorüberzieht und dessen Licht minimal abschwächt. So war es möglich, nicht nur ein primäres Transitereignis von WASP-189b zu vermessen, nämlich dann, wenn der Planet in der Sichtlinie zwischen Beobachter und Stern vorbeizieht. CHEOPS konnte auch das sehr viel kleinere sekundäre Signal vermessen, wenn der Planet für den Beobachter hinter dem Stern verschwindet. Aus diesen extrem präzisen Messungen einer solchen Okkultation kann man die Temperatur des Planeten ableiten. Dabei stellte sich heraus, dass WASP-189b etwa 3200 Grad Celsius heiß ist, so heiß wie kaum ein anderer Exoplanet. Bei solchen Temperaturen schmelzen alle Gesteine und Metalle gehen in die Gasphase über. Zum Vergleich: Die Sonne hat an ihrer Oberfläche eine Temperatur von fast 6.000 Grad Celsius, kleine M-Zwergsterne jedoch zum Teil deutlich weniger als 3.000 Grad Celsius.

WASP-189b befindet sich mit etwa 7,5 Millionen Kilometern 20 Mal näher an seinem Stern als die Erde, die die Sonne in rund 150 Millionen Kilometern umkreist. Für einen Umlauf benötigt er nur 2,7 Tage. Der Stern, um den er sich bewegt, ist größer und mehr als 2000 Grad heißer als die Sonne und scheint daher blau zu leuchten. „Es ist nur eine Handvoll Planeten um so heiße Sterne herum bekannt, und dieses System ist bei weitem das hellste“, sagt Monika Lendl von der Universität Genf, Schweiz, die Erstautorin der neuen Studie. „WASP-189b ist auch der hellste ‚heiße Jupiter‘, den wir beobachten können, wenn er vor oder hinter seinem Stern vorbeizieht, was das ganze System wirklich faszinierend macht.“

Schnelle Stern-Rotation führt zu Abflachung
Transitmessungen erlauben es, den Planetenradius und die Bahnparameter zu bestimmen und etwas über die Planetenform sowie die Sternenform herauszufinden. WASP-189b ist mit einem Äquatordurchmesser von etwa 220.000 Kilometern fast 1,6-mal größer als Jupiter – größer als bisher angenommen. Zudem hielt der Stern eine Überraschung bereit. Er ist nämlich keine perfekte Kugel, sondern rotiert so schnell, dass er sich verformt und der Äquatorradius größer als der Polradius ist. Das führt dazu, dass der Stern am Äquator kühler und an den Polen heißer ist und diese daher heller erscheinen. Zu dieser ungewöhnlichen Asymmetrie kommt noch hinzu, dass die Umlaufbahn des Planeten nicht in der Äquatorebene des Sterns liegt, wie man es erwarten würde, wenn sich Stern und Planet aus einer gemeinsamen Gas- und Staubscheibe entwickeln, die ihre Drehrichtung an seine Planeten „vererbt“, wie es auch im Sonnensystem der Fall ist. Die Bahn von WASP-189b indes verläuft über die Pole des Sterns.

Eine derart geneigte Umlaufbahn führt zu der ungelösten Frage, wie sich ‚heiße Jupiter‘ bilden. Man vermutet, dass eine derart geneigte Umlaufbahn möglich ist, wenn der Planet sich weiter außen gebildet hat und dann nach innen gedrückt worden ist. Das könnte entweder passieren, wenn sich mehrere Planeten innerhalb eines Systems an einer Position drängeln oder wenn ein externer Einfluss – zum Beispiel ein anderer Stern – das System stört und den Gasriesen auf seinen Stern zu und auf sehr stark geneigte Bahnen drängt. Die starke Neigung des Planetenorbits deutet darauf hin, dass auch WASP-189b eine solche starke Wechselwirkung in der Vergangenheit erfahren hat.

CHEOPS verspricht große Fortschritte in der Exoplanetenforschung
Mit den hochpräzisen Beobachtungen und optischen Fähigkeiten von CHEOPS ließen sich die ungewöhnlichen Eigenschaften des Planetensystems WASP-189b herausfinden. CHEOPS öffnete sein ‚Auge‘ im Januar diesen Jahres und begann im April mit dem wissenschaftlichen Routinebetrieb. Prof. Heike Rauer, Direktorin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof, ist begeistert: „Die Genauigkeit, die mit CHEOPS erreicht wird, ist phantastisch.“ Als CHEOPS-Projektwissenschaftlerin blickt sie für den weiteren Missionsverlauf optimistisch in die Zukunft: „Bereits die ersten Messungen zeigen, dass das Instrument besser funktioniert, als es spezifiziert ist. Es erlaubt uns, mehr über diese weit entfernten Planeten zu erfahren.“ Tausende von Exoplaneten, von denen die überwiegende Mehrheit keine Entsprechungen in unserem Sonnensystem hat, wurden im letzten Vierteljahrhundert entdeckt, und viele weitere werden mit den aktuellen und zukünftigen bodengestützten Vermessungen und Weltraummissionen, wie PLATO, noch gefunden werden.

In den nächsten Jahren wird CHEOPS hunderte von bereits bekannten Planeten verfolgen, die helle Sterne umkreisen, und dabei auf dem bestehenden Wissen aufbauen und es erweitern, so wie es hier für WASP-189b getan wurde. Die Mission ist die erste in einer Reihe von drei ESA-Wissenschaftsmissionen, die sich auf den Nachweis und die Charakterisierung von Exoplaneten konzentrieren: Doch auch CHEOPS hat ein bedeutendes Entdeckungspotenzial – von der Identifizierung von lohnenden Beobachtungsobjekten für künftige Missionen über die Erforschung exoplanetarer Atmosphären bis hin zur Suche nach weiteren Planeten in den bekannten Planetensystemen.

Die ESA-Mission CHEOPS
CHEOPS ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die in enger Kooperation mit der Schweiz entwickelt wurde. Die Leitung des Wissenschaftskonsortiums ist an der Universität Bern angesiedelt mit bedeutenden Beiträgen aus Belgien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Österreich, Portugal, Schweden, Spanien und Ungarn. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der wissenschaftlichen Auswertung der Daten von CHEOPS beteiligt. Die Berliner DLR-Institute für Optische Sensorsysteme und für Planetenforschung steuerten zwei elektronische Module bei, darunter das Herzstück des Satellitenteleskops, das Fokalebenen-Modul mit dem CCD-Detektor, dessen thermo-mechanische Stabilität die hochgenauen Messungen ermöglicht. Ebenso entwickelte das DLR Algorithmen zur wissenschaftlichen Auswertung der Messdaten.

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• Exoplaneten

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Quelle: ESA.

Cheops – kurz für Characterising Exoplanet Satellite – startete im Dezember 2019 und soll nahegelegene Sterne, von denen bekannt ist, dass Planeten zu ihnen gehören, beobachten. Durch die ultrapräzise Vermessung der Veränderungen der Lichtmengen, die von diesen Systemen ausgehen, während die Planeten ihre Sterne umkreisen, kann Cheops eine erste Charakterisierung dieser Planeten durchführen – und so unser Verständnis darüber, wie sie entstehen und sich entwickeln, verbessern.

Der neue Fund betrifft einen sogenannten „ultraheißen Jupiter“ mit dem Namen WASP-189 b. Heiße Jupiter sind, wie ihre Bezeichnung schon verrät, gigantische Gasplaneten, die dem Jupiter in unserem Sonnensystem ähneln. Allerdings umkreisen sie ihren jeweiligen Heimatstern in viel geringerer Entfernung, wodurch sie extreme Temperaturen aufweisen.

WASP-189 b umkreist seinen Stern 20 Mal näher als die Erde die Sonne. Für einen kompletten Umlauf benötigt er lediglich 2,7 Tage. Sein Heimatstern ist größer und über 2.000 Grad heißer als die Sonne, weshalb er scheinbar blau glüht. „Wir wissen nur von einer Handvoll Planeten, die um so heiße Sterne herum kreisen. Dazu ist dieses System mit Abstand das hellste uns bekannte“, sagt Monika Lendl von der Universität Genf in der Schweiz, Hauptautorin der neuen Studie. „Außerdem ist WASP-189 b der hellste heiße Jupiter, den wir beobachten können, während er sich vor oder hinter seinem Stern befindet. Das macht das gesamte System extrem faszinierend.“

Zuerst haben Lendl und ihre Kollegen Cheops genutzt, um WASP-189 b bei einer Okkultation, also dabei zu beobachten, wie der Planet hinter seinem Heimatstern vorbeizieht. „Da der Planet so hell ist, nimmt die Lichtmenge dieses Systems tatsächlich spürbar ab, wenn er kurz aus dem Blickfeld verschwindet“, erklärt Lendl. „Wir haben diese Beobachtung genutzt, um die Helligkeit des Planeten zu bestimmen und konnten seine Temperatur auf glühend heiße 3200 °C einschränken.“

Dies macht WASP-189 b zu einem der heißesten und extremsten Planeten, was ihn damit von sämtlichen Planeten des Sonnensystems unterscheidet. Bei so hohen Temperaturen schmelzen sogar Metalle wie Eisen und werden zu Gas. Damit ist der Planet zweifelsohne unbewohnbar.

Als Nächstes beobachtete Cheops WASP-189 b dabei, wie er vor seinem Stern vorbeizog, also einen sogenannten Transit. Transite können Aufschluss über die Größe, Form und die Umlaufbahn eines Planeten geben – so auch bei WASP-189 b, für den festgestellt wurde, dass er größer ist als erwartet. Sein Radius ist fast 1,6 Mal so groß wie der des Jupiters.

„Wir haben auch herausgefunden, dass der Stern selbst sehr interessant ist. Er hat keine vollkommen perfekte runde Form, sondern ist größer und gleichzeitig kälter am Äquator als an den Polen, wodurch die Pole des Sterns heller erscheinen“, fährt Lendl fort. „Er dreht sich so schnell um sich selbst, dass er am Äquator nach außen gezogen wird! Zu dieser Asymmetrie kommt hinzu, dass der Orbit von WASP-189 b geneigt ist – er umkreist den Stern nicht an dessen Äquator, sondern näher an den Polen.“

Solch eine geneigte Umlaufbahn fügt dem Rätsel um die Entstehung heißer Jupiter ein weiteres Fragezeichen hinzu. Damit die Umlaufbahn eines Planeten eine derartige Neigung aufweist, muss dieser weiter außerhalb entstanden und dann nach innen gedrückt worden sein. Man geht davon aus, dass solch ein Prozess entsteht, wenn mehrere Planeten innerhalb eines Systems um ihre Positionen rangeln oder wenn ein äußerer Einfluss, zum Beispiel ein anderer Stern, das System stört und die Gasgiganten so in Richtung ihres jeweiligen Sterns und auf sehr kurze, stark geneigte Orbits drückt. „Da wir mit Cheops eine solche Neigung gemessen haben, liegt es nahe, dass WASP-189 b in der Vergangenheit derartigen Interaktionen ausgesetzt war“, fügt Lendl hinzu.

Lendl und ihre Kollegen haben Cheops hochpräzise Beobachtungen und optischen Fähigkeiten genutzt, um die Geheimnisse von WASP-189 b zu lüften. Cheops hat im Januar dieses Jahres „seine Augen aufgeschlagen“ und im April den regulären wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen. Seitdem trägt Cheops dazu bei, unser Wissen über Exoplaneten und den nahe gelegenen Kosmos zu verbessern.

„Die ersten Ergebnisse von Cheops sind wahnsinnig aufregend und beweisen eindeutig, dass die Mission hält, was wir uns von ihr in Sachen Präzision und Leistung versprochen haben“, sagt Kate Isaak, ESA-Projektwissenschaftlerin für Cheops.

In den vergangenen 25 Jahren wurden Tausende Exoplaneten entdeckt. Die allermeisten von ihnen haben keine jeweilige Entsprechung in unserem Sonnensystem. Derzeitige und zukünftige vom Boden durchgeführte Beobachtungen und Weltraummissionen werden diese Anzahl noch erheblich erhöhen.

„Cheops spielt eine einzigartige Rolle bei der genaueren Untersuchung von solchen Exoplaneten“, so Isaak weiter. „Das Weltraumteleskop wird nach Transiten von Planeten, die von der Erde aus entdeckt worden sind, suchen und, wo immer möglich, die Größen der Planeten genauer messen, von denen bereits bekannt ist, dass sie vor ihren Heimatsternen vorbeiziehen. Indem wir mit Cheops Exoplaneten in ihren Umlaufbahnen verfolgen, können wir eine erste Charakterisierung ihrer Atmosphären durchführen und das Vorhandensein etwaiger Wolken sowie ihrer Eigenschaften bestimmen.“

In den nächsten Jahren wird Cheops Hunderte bekannter Planeten auf ihren Orbits um ihre hellen Heimatsterne verfolgen und dafür auf die Erfahrung mit WASP-189 b aufbauen und sie erweitern. Die Mission ist die erste einer Serie von drei ESA-Wissenschaftsmissionen zum Auffinden und Charakterisieren von Exoplaneten. Darüber hinaus birgt sie ein erhebliches Potenzial für weitere Entdeckungen – vom Identifizieren von primären Zielen für zukünftige Missionen, die die Atmosphären von Exoplaneten untersuchen werden, bis hin zum Suchen nach neuen Planeten und extrasolaren Monden.

„Cheops wird nicht nur unser Wissen über Exoplaneten vertiefen“, sagt Isaak, „sondern auch das Wissen über unseren Heimatplaneten, unser Sonnensystem und die weitere kosmische Umgebung.“

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