Webb findet Unterschiede im ewigen Morgen- und Abendhimmel einer fernen Welt

Eine For­schungs­grup­pe, der auch Astronom*innen des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie (MPIA) ange­hö­ren, hat nun bestä­tigt, was Model­le bereits vor­her­ge­sagt haben: dass ein Exo­pla­net Unter­schie­de zwi­schen sei­ner Mor­gen- und Abend­at­mo­sphä­re auf­weist, die sich in unter­schied­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren und Wol­ken­be­de­ckun­gen äußern. Die Ergeb­nis­se fol­gen aus Infra­rot­be­ob­ach­tun­gen des Gas­rie­sen­pla­ne­ten WASP-39 b mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb (JWST). Der Pla­net befin­det sich in einer gebun­de­nen Rota­ti­on zu sei­nem Mut­ter­stern, was zu fort­wäh­ren­den Tag- und Nacht­sei­ten führt. Eine Hälf­te des Pla­ne­ten ist immer sei­nem Stern zuge­wandt, wäh­rend die ande­re in Dun­kel­heit gehüllt ist.

Mit Hil­fe von JWSTs NIR­Spec (Near-Infrared Spec­tro­graph) bestä­tig­ten die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men einen Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zwi­schen den Mor­gen- und den Abend­zo­nen, wobei der Abend um etwa 200 Grad Cel­si­us hei­ßer zu sein scheint. Sie fan­den auch Hin­wei­se dar­auf, dass der Mor­gen stär­ker bewölkt als der Abend sein könnte.

„Zum ers­ten Mal ist es gelun­gen, ein direk­tes Abend- und Mor­gen­spek­trum eines Exo­pla­ne­ten getrennt zu mes­sen“, sagt Maria Stein­rück, Astro­no­min an der Uni­ver­si­tät Chi­ca­go (USA), die wäh­rend ihrer Tätig­keit am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg (Deutsch­land) an der Unter­su­chung mit­wirk­te. Sie ist auch Mit­au­torin des zugrun­de lie­gen­den Arti­kels in Natu­re. „Die­se Metho­de kann beim Ver­ständ­nis des Kli­mas von Exo­pla­ne­ten sehr hilf­reich sein.“

Die Abwei­chung der Signa­le, die das Tele­skop aus bei­den Regio­nen emp­fing, ist win­zig. Mög­lich ist die Tren­nung die­ser Unter­schie­de nur auf­grund der Emp­find­lich­keit von JWST und NIR­Spec im nahen Infra­rot­be­reich und der extrem sta­bi­len Sen­so­ren des Instru­ments. „Jede noch so klei­ne Bewe­gung im Instru­ment oder mit dem Tele­skop wäh­rend der Daten­er­fas­sung hät­te die Fähig­keit zu die­ser Ent­de­ckung stark ein­ge­schränkt. Sie muss außer­or­dent­lich prä­zi­se sein, und Webb bie­tet genau das“, sagt Nés­tor Espi­no­za, Exo­pla­ne­ten­for­scher am Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te (STScI) und der Johns Hop­kins Uni­ver­si­ty in Bal­ti­more, USA, und Haupt­au­tor der Studie.

Frühere Ergebnisse konnten nicht zwischen Morgen und Abend unterscheiden

Zuvor ver­öf­fent­lich­te Daten der Atmo­sphä­re von WASP-39b, die mit dem JWST gewon­nen wur­den, zeig­ten Anzei­chen von Koh­len­di­oxid, Schwe­fel­di­oxid, Was­ser­dampf und Natri­um ent­lang der gesam­ten Tag-Nacht-Gren­ze. Eine genaue Unter­schei­dung zwi­schen der einen und der ande­ren Sei­te wur­de nicht ver­sucht. Die Fähig­keit, eine so reich­hal­ti­ge che­mi­sche Zusam­men­set­zung zu erken­nen, war bereits für sich genom­men bahnbrechend.

Damals ana­ly­sier­ten die Astro­no­men das zwei bis fünf Mikro­me­ter rei­chen­de Trans­mis­si­ons­spek­trum von WASP-39 b. Mit die­ser Tech­nik wird der soge­nann­te Ter­mi­na­tor des Exo­pla­ne­ten unter­sucht, die Gren­ze, die die Tag- und Nacht­sei­ten des Pla­ne­ten von­ein­an­der tren­nen. Bei den Beob­ach­tun­gen wird ein Trans­mis­si­ons­spek­trum erstellt, indem das Ster­nen­licht, das durch die Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten gefil­tert wird, wäh­rend er sich vor dem Stern bewegt, mit dem unge­fil­ter­ten Ster­nen­licht ver­gli­chen wird, das gemes­sen wird, wenn sich der Pla­net neben dem Stern befin­det. Durch die­sen Ver­gleich erhal­ten die For­schen­den Infor­ma­tio­nen über die Tem­pe­ra­tur, die Zusam­men­set­zung und ande­re Eigen­schaf­ten der Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten. Die auf­ge­bläh­te Atmo­sphä­re von WASP-39 b trägt dazu bei, dass das Ster­nen­licht effi­zi­ent mit Ato­men und Mole­kü­len wech­sel­wirkt, wodurch ein ziem­lich star­kes, gefil­ter­tes Signal entsteht.

Neue Analyse findet leichte Unterschiede zwischen Morgen- und Abendhimmel

Die Aus­wer­tung der neu­en Daten geht nun einen Schritt wei­ter und lie­fert zwei unter­schied­li­che Spek­tren aus der Grenz­re­gi­on, wodurch die Tag-Nacht-Gren­ze im Wesent­li­chen in zwei Halb­krei­se auf­ge­teilt wird, einen für den Abend und einen für den Mor­gen. Aus den Daten geht her­vor, dass der Abend mit 800 Grad Cel­si­us deut­lich hei­ßer und der Mor­gen mit 600 Grad Cel­si­us rela­tiv küh­ler ist.

„Es gab bereits ähn­li­che Ver­su­che, die mor­gend­li­chen und abend­li­chen Über­gangs­zo­nen mit boden­ge­bun­de­nen Tele­sko­pen zu beob­ach­ten. Stö­run­gen durch die Erd­at­mo­sphä­re machen jedoch einen Groß­teil der spek­tra­len Infor­ma­tio­nen zunich­te“, erklärt Steinrück.

Eine umfang­rei­che Daten­mo­del­lie­rung ermög­lich­te es den For­schern auch, die Zusam­men­set­zung der Atmo­sphä­re von WASP-39 b und ihre Wol­ken­be­de­ckung zu unter­su­chen, und gibt Hin­wei­se dar­auf, war­um der Abend hei­ßer ist. Wäh­rend das Team in Zukunft unter­su­chen wird, wie sich die Wol­ken­be­de­ckung auf die Tem­pe­ra­tur aus­wirkt und umge­kehrt, bestä­tig­ten die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men die Gas­zir­ku­la­ti­on um den Pla­ne­ten als Haupt­ur­sa­che für die Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de auf WASP-39 b.

Starke Winde könnten die Schwankungen erklären

Bei einem stark bestrahl­ten Exo­pla­ne­ten wie WASP-39 b, der rela­tiv nahe um sei­nen Stern kreist, erwar­ten die For­scher im All­ge­mei­nen, dass sich das Gas bewegt, wenn der Pla­net um sei­nen Stern kreist: Hei­ße­res Gas von der Tag­sei­te soll­te sich über einen star­ken äqua­to­ria­len Jet­stream durch den Abend zur Nacht­sei­te bewe­gen. Da der Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied so extrem ist, wäre auch der Luft­druck­un­ter­schied erheb­lich, was wie­der­um hohe Wind­ge­schwin­dig­kei­ten ver­ur­sa­chen würde.

Mit Hil­fe von gene­ra­li­sier­ten Strö­mungs­mo­del­len (Gene­ral Cir­cu­la­ti­on Models), drei­di­men­sio­na­len Model­len ähn­lich denen, die zur Vor­her­sa­ge des Wet­ters auf der Erde ver­wen­det wer­den, fand das Team tat­säch­lich her­aus, dass sich die vor­herr­schen­den Win­de auf WASP-39 b von der Nacht­sei­te über den Mor­gen­ter­mi­na­tor, um die Tag­sei­te, über den Abend­ter­mi­na­tor und dann erneut um die Nacht­sei­te bewe­gen. „Die neu­en Ergeb­nis­se sind von ent­schei­den­der Bedeu­tung für die Ver­fei­ne­rung unse­rer Com­pu­ter­mo­del­le von Exo­pla­ne­ten­at­mo­sphä­ren“, erklärt Stein­rück, die das Team zur Berech­nung der Kli­ma­mo­del­le lei­te­te und die Modell­spek­tren für die Inter­pre­ta­ti­on der Beob­ach­tun­gen erstellte.

„Die­ses Ergeb­nis ist ein gro­ßer Schritt zur Mes­sung der voll­stän­di­gen drei­di­men­sio­na­len Struk­tur eines Exo­pla­ne­ten“, sagt Lau­ra Kreid­berg, Direk­to­rin der Abtei­lung für Atmo­sphä­ren­phy­sik von Exo­pla­ne­ten (APEx) am MPIA, Stein­rücks frü­he­rer Arbeits­stät­te. „Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen von Maria Stein­rück waren ent­schei­dend für die Erstel­lung eines phy­si­ka­li­schen Ver­ständ­nis­ses der kom­ple­xen Daten. Ihre Arbeit hat gezeigt, dass der Unter­schied zwi­schen Mor­gen und Abend auf dem Pla­ne­ten durch hef­ti­ge Win­de erklärt wer­den kann, die hei­ße Luft von der Tag­sei­te zur Nacht­sei­te zir­ku­lie­ren las­sen und Wol­ken von der Nacht­sei­te zur Tag­sei­te bla­sen. Mit Geschwin­dig­kei­ten von rund 10 000 Kilo­me­tern pro Stun­de oder mehr sind die­se Win­de vier­mal schnel­ler als die auf Nep­tun, dem win­digs­ten Pla­ne­ten in unse­rem Son­nen­sys­tem“, fügt Kreid­berg hin­zu, die auch Mit­au­torin des Arti­kels ist.

„Die­se Ana­ly­se ist auch des­halb beson­ders inter­es­sant, weil man 3D-Infor­ma­tio­nen über den Pla­ne­ten erhält, die man vor­her nicht bekom­men hat“, fügt Espi­no­za hin­zu. „Da wir nun wis­sen, dass der abend­li­che Bereich hei­ßer ist, bedeu­tet das, dass er ein wenig stär­ker auf­ge­bläht ist. Theo­re­tisch gibt es also eine klei­ne Wöl­bung am Ter­mi­na­tor, die sich der Nacht­sei­te des Pla­ne­ten nähert.“

Im Rah­men des JWST Cycle 2 Gene­ral Obser­vers Pro­gram 3969 wol­len die For­schen­den die glei­che Ana­ly­se­me­tho­de anwen­den, um atmo­sphä­ri­sche Unter­schie­de bei ande­ren hei­ßen Jupi­tern in gebun­de­ner Rota­ti­on zu untersuchen.

Hintergrundinformationen

Die an die­ser Stu­die betei­lig­ten MPIA-Wissenschaftler*innen sind Maria Stein­rück (jetzt Uni­ver­si­ty of Chi­ca­go, USA; 51 Pega­si b Fel­low), Lau­ra Kreid­berg, Dun­can Chris­tie, Eva-Maria Ahrer (eben­falls Uni­ver­si­ty of War­wick, Coven­try, Groß­bri­tan­ni­en), und David Häge­le (eben­falls Uni­ver­si­tät Hei­del­berg, Deutschland).

Wei­te­re Betei­lig­te sind Nés­tor Espi­no­za (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te und Johns Hop­kins Uni­ver­si­ty, Bal­ti­more, USA), Ryan Mac­Do­nald (Uni­ver­si­ty of Michi­gan, Ann Arbor, USA), James Kirk (Impe­ri­al Col­lege Lon­don, Lon­don und Uni­ver­si­ty of War­wick, Coven­try, Groß­bri­tan­ni­en), sowie Arjun Savel, Ken­neth Arnold und Eli­za Kemp­ton (alle Uni­ver­si­ty of Mary­land, Col­lege Park, USA).

NIR­Spec gehört zum Bei­trag der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on (ESA) zur Webb-Mis­si­on und wur­de von einem Kon­sor­ti­um euro­päi­scher Unter­neh­men unter Füh­rung von Air­bus Defence and Space (ADS) gebaut. Das God­dard Space Flight Cent­re der NASA lie­fer­te zwei Teil­sys­te­me (Detek­to­ren und Mikro­ver­schlüs­se). Das MPIA war für die Beschaf­fung der elek­tri­schen Kom­po­nen­ten der NIR­Spec-Git­ter­rä­der verantwortlich.

Das JWST ist das welt­weit füh­ren­de Obser­va­to­ri­um für Welt­raum­for­schung. Es ist ein inter­na­tio­na­les Pro­gramm, das von der NASA gemein­sam mit ihren Part­nern, der ESA (Euro­päi­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on) und der CSA (Kana­di­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on), betrie­ben wird.

WASP-39 b war eines der ers­ten Zie­le, die JWST beob­ach­te­te, als es im Jahr 2022 den regu­lä­ren Wis­sen­schafts­be­trieb auf­nahm. Die Daten die­ser Stu­die wur­den im Rah­men des Ear­ly-Release-Wis­sen­schafts­pro­gramms 1366 gesam­melt, das den Wis­sen­schaft­lern hel­fen soll, den Umgang mit den Instru­men­ten des Tele­skops schnell zu erler­nen und sein vol­les wis­sen­schaft­li­ches Poten­zi­al auszuschöpfen.

Die­se Pres­se­mit­tei­lung basiert auf der von STScI/NASA ver­öf­fent­lich­ten Ver­si­on (Autorin: Han­nah Braun).

MN

Link zur MPIA-Pres­se­mit­tei­lung