Mögliche Atmosphäre um einen felsigen Exoplaneten

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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.

Exoplanet
Die­ses künst­le­ri­scher Dar­stel­lung zeigt, wie der Exo­pla­net 55 Can­cri e aus­se­hen könn­te – Cre­dit: NASA, ESA, CSA, R. Craw­ford (STScI)

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.

Sternverfinsterung
Ver­än­de­rung der Hel­lig­keit des vom Stern-Pla­ne­ten-Sys­tem aus­ge­sand­ten Lichts im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich im Lau­fe von etwa vier­ein­halb Stun­den – Cre­dit: NASA, ESA, CSA, J. Olm­sted (STScI), A. Bel­lo-Aru­fe (JPL)

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.

Emissionsspektrum
Die Gra­fik zeigt die Hel­lig­keit des von den Webb-Instru­men­ten NIR­Cam und MIRI auf­ge­fan­ge­nen Lichts zusam­men mit zwei ver­schie­de­nen Modell-Emis­si­ons­spek­tren – Cre­dit: NASA, ESA, CSA, J. Olm­sted (STScI), R. Hu (JPL), A. Bel­lo-Aru­fe (JPL), M. Zhang (Uni­ver­si­ty of Chi­ca­go), M. Zilins­kas (SRON Net­her­lands Insti­tu­te for Space Research)

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)

Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2412

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Andreas

Andreas Schnabel war bis zum Ende der Astronomie-Zeitschrift "Abenteuer Astronomie" im Jahr 2018 als Kolumnist tätig und schrieb dort über die aktuell sichtbaren Kometen. Er ist Mitglied der "Vereinigung für Sternfreunde e.V.". Neben Astronomie, betreibt der Autor des Blogs auch Fotografie und zeigt diese Bilder u.a. auf Flickr.

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