Mögliche Atmosphäre um einen felsigen Exoplaneten

For­scher haben mit dem James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA mög­li­cher­wei­se atmo­sphä­ri­sche Gase in der Umge­bung von 55 Can­cri e, einem 41 Licht­jah­re von der Erde ent­fern­ten hei­ßen fel­si­gen Exo­pla­ne­ten, ent­deckt. Dies ist der bis­her bes­te Beweis für die Exis­tenz einer Atmo­sphä­re auf einem Gesteins­pla­ne­ten außer­halb unse­res Sonnensystems.

Renyu Hu vom Jet Pro­pul­si­on Labo­ra­to­ry (JPL) der NASA in Pasa­de­na, Kali­for­ni­en, USA, ist der Haupt­au­tor eines heu­te in Natu­re ver­öf­fent­lich­ten Arti­kels . „Webb ver­schiebt die Gren­zen der Cha­rak­te­ri­sie­rung von Exo­pla­ne­ten auf Gesteins­pla­ne­ten“, sag­te Hu. „Es ermög­licht wirk­lich eine neue Art von Wissenschaft.“

Superheiße Super-Erde 55 Cancri e

55 Can­cri e ist einer von fünf bekann­ten Pla­ne­ten, die einen son­nen­ähn­li­chen Stern im Stern­bild Krebs umkrei­sen. Mit einem Durch­mes­ser, der fast dop­pelt so groß ist wie der der Erde und einer gering­fü­gig höhe­ren Dich­te wird der Pla­net als Super-Erde ein­ge­stuft. Super-Erden sind grö­ßer als die Erde, klei­ner als Nep­tun und wahr­schein­lich in der Zusam­men­set­zung ähn­lich wie die Gesteins­pla­ne­ten in unse­rem Sonnensystem.

55 Can­cri e als fel­sig zu bezeich­nen, könn­te jedoch den fal­schen Ein­druck erwe­cken. Der Pla­net kreist so nahe um sei­nen Stern (etwa 2,25 Mil­lio­nen Kilo­me­ter, das ent­spricht einem Fünf­und­zwan­zigs­tel der Ent­fer­nung zwi­schen Mer­kur und Son­ne), dass sei­ne Ober­flä­che wahr­schein­lich geschmol­zen ist – ein bro­deln­der Oze­an aus Mag­ma. Bei einer so engen Umlauf­bahn rotiert der Pla­net wahr­schein­lich auch gebun­den, d. h. sei­ne Tag­sei­te ist immer dem Stern zuge­wandt und sei­ne Nacht­sei­te befin­det sich in stän­di­ger Dunkelheit.

Trotz zahl­rei­cher Beob­ach­tun­gen seit sei­ner Ent­de­ckung im Jahr 2011 blieb die Fra­ge unbe­ant­wor­tet, ob 55 Can­cri e eine Atmo­sphä­re besitzt – oder ange­sichts sei­ner hohen Tem­pe­ra­tur und der stän­di­gen Strah­lung und des Win­des sei­nes Sterns über­haupt eine haben könnte.

„Ich habe mehr als ein Jahr­zehnt lang an die­sem Pla­ne­ten gear­bei­tet“, sagt Dia­na Dra­go­mir, Exo­pla­ne­ten­for­sche­rin an der Uni­ver­si­tät von New Mexi­co in den USA und Mit­au­torin der Stu­die. „Es war wirk­lich frus­trie­rend, dass kei­ne der Beob­ach­tun­gen, die wir erhal­ten haben, die­se Rät­sel wirk­lich gelöst hat. Ich bin begeis­tert, dass wir end­lich eini­ge Ant­wor­ten bekommen!“

Im Gegen­satz zu den Atmo­sphä­ren von Gas­rie­sen, die rela­tiv leicht aus­zu­ma­chen sind (die ers­te wur­de vor mehr als zwei Jahr­zehn­ten vom NASA/ESA Hub­ble-Welt­raum­te­le­skop ent­deckt), sind die dün­ne­ren und dich­te­ren Atmo­sphä­ren, die Gesteins­pla­ne­ten umge­ben, bis­her nicht zu erkennen.

Frü­he­re Stu­di­en von 55 Can­cri e anhand von Daten des inzwi­schen still­ge­leg­ten Spit­zer-Welt­raum­te­le­skops der NASA deu­te­ten auf das Vor­han­den­sein einer umfang­rei­chen Atmo­sphä­re hin, die reich an flüch­ti­gen Stof­fen wie Sau­er­stoff, Stick­stoff und Koh­len­di­oxid ist. Es sind Mole­kü­le, die auf der Erde in Gas­form vor­kom­men. Die For­scher konn­ten jedoch eine ande­re Mög­lich­keit nicht aus­schlie­ßen: der Pla­net ist bis auf eine dün­ne Hül­le aus ver­dampf­tem Gestein, das reich an Ele­men­ten wie Sili­zi­um, Eisen, Alu­mi­ni­um und Kal­zi­um ist, blank. „Der Pla­net ist so heiß, dass ein Teil des geschmol­ze­nen Gesteins ver­damp­fen soll­te“, erklär­te Hu.

Messung schwacher Variationen im Infrarotlicht

Um zwi­schen den bei­den Mög­lich­kei­ten zu unter­schei­den, nutz­te das Team die NIR­Cam (Near-Infrared Came­ra) und MIRI (Mid-Infrared Instru­ment) von Webb, um das vom Pla­ne­ten kom­men­de Infra­rot­licht mit einer Wel­len­län­ge von 4 bis 12 Mikro­me­tern zu messen.

Obwohl Webb kein direk­tes Bild von 55 Can­cri e auf­neh­men kann, kann es schwa­che Ver­än­de­run­gen im Licht des gesam­ten Sys­tems mes­sen, wäh­rend der Pla­net den Stern umkreist.

Durch Sub­trak­ti­on der Hel­lig­keit wäh­rend der sekun­dä­ren Ver­dun­ke­lung des Sterns, wenn sich der Pla­net hin­ter dem Stern befin­det (nur Ster­nen­licht), von der Hel­lig­keit, wenn sich der Pla­net direkt neben dem Stern befin­det (Licht von Stern und Pla­net zusam­men), konn­te das Team die Men­ge an Infra­rot­licht ver­schie­de­ner Wel­len­län­gen berech­nen, die von der Tag­sei­te des Pla­ne­ten kommt.

Die­se als Sekun­där­fins­ter­nis-Spek­tro­sko­pie bekann­te Metho­de ähnelt der Metho­de, die ande­re For­schungs­teams zur Suche nach Atmo­sphä­ren auf ande­ren fel­si­gen Exo­pla­ne­ten wie TRAPPIST‑1 b verwenden.

Kühler als erwartet

Der ers­te Hin­weis dar­auf, dass 55 Can­cri e eine nen­nens­wer­te Atmo­sphä­re haben könn­te, ergab sich aus Tem­pe­ra­tur­mes­sun­gen, die auf sei­ner ther­mi­schen Emis­si­on, also der in Form von Infra­rot­licht abge­ge­be­nen Wär­me­en­er­gie, basier­ten. Wenn der Pla­net von dunk­lem geschmol­ze­nem Gestein mit einem dün­nen Schlei­er aus ver­dampf­tem Gestein bedeckt ist oder über­haupt kei­ne Atmo­sphä­re hat, soll­te die Tem­pe­ra­tur auf der Tag­sei­te bei etwa 2.200 Grad Cel­si­us betragen.

„Statt­des­sen zeig­ten die MIRI-Daten eine rela­tiv nied­ri­ge Tem­pe­ra­tur von etwa 1540 Grad Cel­si­us“, sag­te Hu. „Das ist ein deut­li­cher Hin­weis dar­auf, dass die Ener­gie von der Tag­sei­te zur Nacht­sei­te ver­teilt wird, wahr­schein­lich durch eine Atmo­sphä­re mit vie­len flüch­ti­gen Bestand­tei­len.“ Lava­strö­me kön­nen zwar etwas Wär­me auf die Nacht­sei­te trans­por­tie­ren, aber nicht effi­zi­ent genug, um den Kühl­ef­fekt zu erklären.

Als sich das Team die NIR­Cam-Daten ansah, sahen sie Mus­ter, die mit einer flüch­ti­gen Atmo­sphä­re ver­ein­bar waren. „Wir sehen Hin­wei­se auf einen Rück­gang im Spek­trum zwi­schen 4 und 5 Mikro­me­tern – weni­ger Licht erreicht das Tele­skop“, erklär­te Co-Autor Aaron Bel­lo-Aru­fe, eben­falls vom JPL. „Dies deu­tet auf das Vor­han­den­sein einer Atmo­sphä­re hin, die Koh­len­mon­oxid oder Koh­len­di­oxid ent­hält, die bei­de die­se Licht­wel­len­län­gen absor­bie­ren.“ Ein Pla­net ohne Atmo­sphä­re oder nur mit ver­dampf­tem Gestein in der Atmo­sphä­re wür­de die­ses spe­zi­fi­sche Spek­tral­merk­mal nicht aufweisen.

„Das sind auf­re­gen­de Neu­ig­kei­ten“, sag­te Co-Autorin Yami­la Miguel vom Obser­va­to­ri­um Lei­den und dem Nie­der­län­di­schen Insti­tut für Welt­raum­for­schung (SRON). „Wir haben die letz­ten zehn Jah­re damit ver­bracht, ver­schie­de­ne Sze­na­ri­en zu model­lie­ren und uns vor­zu­stel­len, wie die­se Welt aus­se­hen könn­te. End­lich eine Bestä­ti­gung unse­rer Arbeit zu bekom­men, ist unbezahlbar!“

Blubbernder Magma-Ozean

Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Can­cri e bede­cken, aus dem Inne­ren her­aus­spru­deln und nicht seit der Ent­ste­hung des Pla­ne­ten vor­han­den sind. „Auf­grund der hohen Tem­pe­ra­tur und der inten­si­ven Strah­lung des Sterns wäre die Pri­mär­at­mo­sphä­re längst ver­schwun­den“, sag­te Bel­lo-Aru­fe. „Es han­delt sich um eine sekun­dä­re Atmo­sphä­re, die durch den Mag­ma­oze­an stän­dig auf­ge­füllt wird. Mag­ma besteht nicht nur aus Kris­tal­len und flüs­si­gem Gestein, son­dern auch aus einer Men­ge gelös­ter Gase.“

Aller Wahr­schein­lich­keit nach wäre die Atmo­sphä­re, die den Pla­ne­ten umgibt, auf­grund der Wech­sel­wir­kun­gen mit dem Mag­ma­oze­an kom­ple­xer und sehr varia­bel. Neben Koh­len­mon­oxid oder Koh­len­di­oxid könn­ten auch Gase wie Stick­stoff, Was­ser­dampf, Schwe­fel­di­oxid, ver­dampf­tes Gestein und sogar kurz­le­bi­ge Wol­ken aus win­zi­gen, aus der Luft kon­den­sier­ten Lava­tröpf­chen vor­han­den sein.

Obwohl 55 Can­cri e viel zu heiß ist, um bewohn­bar zu sein, glau­ben die For­scher, dass er ein ein­zig­ar­ti­ges Labor für die Unter­su­chung der Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen den Atmo­sphä­ren, Ober­flä­chen und dem Inne­ren von Gesteins­pla­ne­ten bie­ten könn­te und viel­leicht Erkennt­nis­se über die frü­he Erde, die Venus und den Mars lie­fert, von denen man annimmt, dass sie in der Ver­gan­gen­heit von Mag­ma-Ozea­nen bedeckt waren. „Letzt­end­lich wol­len wir ver­ste­hen, wel­che Bedin­gun­gen es einem Gesteins­pla­ne­ten ermög­li­chen, eine gas­rei­che Atmo­sphä­re auf­recht­zu­er­hal­ten, eine Schlüs­sel­vor­aus­set­zung für einen bewohn­ba­ren Pla­ne­ten“, sag­te Hu.

Die­se For­schung wur­de im Rah­men von „Webbs Gene­ral Obser­vers (GO) Pro­gram 1952“ durch­ge­führt. Die Ana­ly­se wei­te­rer Beob­ach­tun­gen der Sekun­där­fins­ter­nis von 55 Can­cri e ist der­zeit im Gan­ge. Für die Zukunft hofft das Team, mit Webb eine voll­stän­di­ge Pha­sen­kur­ve erfas­sen zu kön­nen, um Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de von einer Sei­te des Pla­ne­ten zur ande­ren abzu­bil­den und so einen bes­se­ren Ein­druck vom Wet­ter, dem Kli­ma und detail­lier­te­ren atmo­sphä­ri­schen Bedin­gun­gen des Pla­ne­ten zu erhalten.

ESA/Hubble/Webb Infor­ma­ti­on Centre

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­quel­le: NASA, ESA, CSA, R. Craw­ford (STScI)

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Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2412