Webb liefert Bild des kältesten und ältesten Exoplaneten

Mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb (JWST) hat ein vom MPIA gelei­te­tes Astro­no­men­team einen neu­en Exo­pla­ne­ten abge­bil­det, der einen Stern im nahen Drei­fach­sys­tem Epsi­lon Indi umkreist. Der Pla­net ist ein kal­ter Super-Jupi­ter mit einer Tem­pe­ra­tur von etwa 0 Grad Cel­si­us und einer gro­ßen Umlauf­bahn, die mit der des Nep­tuns um die Son­ne ver­gleich­bar ist. Die­se Mes­sung zeigt, dass noch vie­le wei­te­re Pla­ne­ten zu fin­den sind, die in Bezug auf Mas­se, Tem­pe­ra­tur und Umlauf­bahn dem Jupi­ter ähn­lich sind. Durch die Erfor­schung sol­cher Pla­ne­ten wer­den wir unser Wis­sen über die Ent­ste­hung und zeit­li­che Ent­wick­lung von Gas­rie­sen erweitern.

„Wir waren auf­ge­regt, als wir das Bild die­ses neu­en Pla­ne­ten sahen“, sagt Eli­sa­beth Matthews, For­sche­rin am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg. Sie ist die Haupt­au­to­rin des zugrun­de lie­gen­den For­schungs­ar­ti­kels in der Zeit­schrift Natu­re. „Zu unse­rer Über­ra­schung pass­te der hel­le Fleck, der auf unse­ren Bil­dern zu sehen war, nicht zu der Posi­ti­on, die wir für den Pla­ne­ten erwar­tet hat­ten“, fügt Matthews hin­zu. „Frü­he­re Stu­di­en hat­ten zwar einen Pla­ne­ten in die­sem Sys­tem kor­rekt iden­ti­fi­ziert, aber offen­bar die Mas­se und die Umlauf­bahn die­ses rie­si­gen Gas­pla­ne­ten grob unter­schätzt.“ Mit Hil­fe des JWST konn­te das Team die Ergeb­nis­se nun zurechtrücken.

Die­ser Nach­weis ist in mehr­fa­cher Hin­sicht unge­wöhn­lich. Es han­delt sich um den ers­ten Exo­pla­ne­ten, von dem das JWST ein Bild gemacht hat, das nicht bereits vom Boden aus auf­ge­nom­men wur­de, und er ist viel käl­ter als die Gas­pla­ne­ten, die das JWST bis­her unter­sucht hat. Ein „Bild“ heißt, dass der Pla­net auf den Auf­nah­men als leuch­ten­der Punkt erscheint und so einen direk­ten Nach­weis dar­stellt. Die Tran­sit- und Radi­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­den sind indi­rek­te Nach­wei­se, da sich der Pla­net dabei ledig­lich durch sei­ne mit­tel­ba­re Wir­kung verrät.

JWST-Beobachtungen aktualisieren frühere Messungen

Der Pla­net umkreist den Haupt­stern des nahen Drei­fach­sys­tems Epsi­lon Indi, kurz Eps Ind. Nach den Kon­ven­tio­nen der astro­no­mi­schen Namens­ge­bung wird der Haupt­stern, ein Roter Zwerg, der etwas klei­ner und küh­ler ist als die Son­ne, mit dem Kür­zel Eps Ind A bezeich­net. Um den Namen des Pla­ne­ten zu bil­den, wird ein „b“ ange­hängt, sodass sich die Bezeich­nung Eps Ind Ab ergibt.

Die neu­en JWST-Daten deu­ten auf einen Super-Jupi­ter hin, der sechs­mal so viel Mas­se hat wie Jupi­ter im Son­nen­sys­tem. Eps Ind Ab umkreist sei­nen Hei­mat­stern auf einer exzen­tri­schen, ellip­ti­schen Umlauf­bahn, deren größ­te Ent­fer­nung vom Zen­tral­stern zwi­schen 20 und 40 Astro­no­mi­schen Ein­hei­ten lie­gen soll­te. Eine Astro­no­mi­sche Ein­heit ist der mitt­le­re Abstand zwi­schen Erde und Son­ne, etwa 150 Mil­lio­nen Kilo­me­ter. Die neu­en Wer­te unter­schei­den sich erheb­lich von frü­he­ren Berech­nun­gen, wes­halb das Team die­sen Pla­ne­ten als „neu“ bezeichnet.

Coole Planeten, heiße Forschung

Bis­her sind nur weni­ge kal­te Gas­rie­sen­pla­ne­ten bekannt, die um Ster­ne krei­sen, die so alt sind wie die Son­ne. Eps Ind Ab ist einer davon. Die­se wur­den alle indi­rekt aus Radi­al­ge­schwin­dig­keits­mes­sun­gen abge­lei­tet. Durch Bild­auf­nah­men und Spek­tren der Pla­ne­ten kön­nen Astro­nom­in­nen und Astro­no­men ihre Atmo­sphä­ren unter­su­chen und die Ent­wick­lung von Pla­ne­ten­sys­te­men im Ver­gleich mit berech­ne­ten Model­len nach­voll­zie­hen. Die Unter­su­chung von Pla­ne­ten in alten und damit voll­stän­dig sta­bi­li­sier­ten Pla­ne­ten­sys­te­men hilft dabei, offe­ne Fra­gen zu den spä­ten Pha­sen der Pla­ne­ten­ent­wick­lung zu klä­ren und unser all­ge­mei­nes Ver­ständ­nis der Pla­ne­ten­bil­dung und ‑ent­wick­lung zu verbessern.

Die aktu­el­len Beob­ach­tun­gen ebnen somit den Weg zur Ent­de­ckung vie­ler wei­te­rer die­ser kal­ten Gas­rie­sen. Dadurch kön­nen Astro­nom­in­nen und Astro­no­men einen neu­en Typ von Exo­pla­ne­ten erfor­schen und mit den Gas­rie­sen des Son­nen­sys­tems vergleichen.

Wie man kalte Gasplaneten entdeckt

Aller­dings sind die­se Pla­ne­ten mit den klas­si­schen Nach­weis­me­tho­den nur schwer zu fin­den und klas­si­fi­zie­ren. Pla­ne­ten, die weit von ihrem Zen­tral­stern ent­fernt sind, sind in der Regel sehr kalt, im Gegen­satz zu den hei­ßen Jupi­tern, die ihre Ster­ne in einem Abstand von nur weni­gen Ster­nen­ra­di­en umkrei­sen. Es ist sehr unwahr­schein­lich, dass sich Pla­ne­ten auf wei­ten Umlauf­bah­nen auf einer Ebe­ne mit der Sicht­li­nie befin­den, um ein Tran­sit­si­gnal zu erzeu­gen. Dar­über hin­aus ist es schwie­rig, sie mit der Radi­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­de zu ver­mes­sen, wenn nur ein klei­ner Teil der Umlauf­bahn ver­folgt wer­den kann.

Frü­he­re Stu­di­en ver­such­ten, anhand von Radi­al­ge­schwin­dig­keits­mes­sun­gen einen Rie­sen­pla­ne­ten zu erfor­schen, der Eps Ind A umkreist. Die Extra­po­la­ti­on eines klei­nen Teils der Umlauf­bahn führ­te jedoch zu fal­schen Rück­schlüs­sen auf die Eigen­schaf­ten des Pla­ne­ten. Immer­hin benö­tigt Eps Ind Ab für eine Umkrei­sung sei­nes Sterns etwa 200 Jah­re. Beob­ach­tun­gen über weni­ge Jah­re hin­weg rei­chen dann schlicht nicht aus, um die Bahn prä­zi­se zu bestimmen.

Des­halb wähl­te das Team um Matthews einen ande­ren Ansatz. Sie woll­ten den bekann­ten Pla­ne­ten mit einer Metho­de foto­gra­fie­ren, die all­ge­mein als direk­te Abbil­dung bekannt ist. Da die Zen­tral­ster­ne von Exo­pla­ne­ten extrem hell sind, über­strah­len sie jedes ande­re Objekt in ihrer Nähe. Her­kömm­li­che Kame­ras wären von dem blen­den­den Ster­nen­licht überfordert.

Daher setz­te das Team die MIRI-Kame­ra (Mid-Infrared Instru­ment) des JWST ein, die mit einem Koro­no­gra­fen aus­ge­stat­tet ist. Die­se licht­un­durch­läs­si­ge Mas­ke bedeckt den Stern wie eine künst­li­che Son­nen­fins­ter­nis. Ein wei­te­rer Vor­teil ist die gerin­ge Ent­fer­nung von Eps Ind zur Erde, die nur 12 Licht­jah­re beträgt. Je gerin­ger die Ent­fer­nung zum Stern ist, des­to grö­ßer ist der Abstand zwi­schen zwei Objek­ten in einem Bild, was die Wahr­schein­lich­keit erhöht, dass die Stö­rung durch den Zen­tral­stern ver­rin­gert wird. MIRI war die per­fek­te Wahl, da es im ther­mi­schen oder mitt­le­ren Infra­rot­be­reich beob­ach­tet, in dem kal­te Objek­te hell leuchten.

Was wissen wir über Eps Ind Ab?

„Wir haben in unse­ren Daten ein Signal ent­deckt, das nicht mit dem erwar­te­ten Exo­pla­ne­ten über­ein­stimm­te“, sagt Matthews. Der Licht­punkt im Bild befand sich nicht an der vor­aus­be­rech­ne­ten Stel­le. „Der Pla­net schien aber den­noch ein Rie­sen­pla­net zu sein“, ergänzt Matthews. Bevor die Astro­no­men jedoch eine sol­che Ein­schät­zung vor­neh­men konn­ten, muss­ten sie aus­schlie­ßen, dass das Signal von einer Hin­ter­grund­quel­le stamm­te, die nichts mit Eps Ind A zu tun hatte.

„Es ist immer schwer, Gewiss­heit zu erlan­gen, aber aus den Daten ging her­vor, dass es ziem­lich unwahr­schein­lich war, dass das Signal von einer extra­ga­lak­ti­schen Hin­ter­grund­quel­le stamm­te“, erklärt Lein­dert Boo­gaard, ein wei­te­rer Wis­sen­schaft­ler am MPIA und Mit­au­tor des For­schungs­ar­ti­kels. Tat­säch­lich stie­ßen sie beim Durch­su­chen astro­no­mi­scher Daten­ban­ken nach ande­ren Beob­ach­tun­gen von Eps Ind auf Bild­da­ten aus dem Jahr 2019, die mit der VISIR-Infra­rot­ka­me­ra am Very Lar­ge Telescope (VLT) der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO) auf­ge­nom­men wur­den. Nach einer erneu­ten Ana­ly­se der Bil­der fand das Team ein schwa­ches Objekt genau an der Stel­le, an der es sich befin­den soll­te, wenn die mit dem JWST auf­ge­nom­me­ne Quel­le zum Stern Eps Ind A gehörte.

Die Wis­sen­schaft­ler ver­such­ten außer­dem, Eigen­schaf­ten der Atmo­sphä­re des Exo­pla­ne­ten anhand der ver­füg­ba­ren Bil­der aus drei ver­schie­de­nen Far­ben zu ermit­teln: zwei von JWST/MIRI und eines von VLT/VISIR. Eps Ind Ab ist bei kur­zen Wel­len­län­gen schwä­cher als erwar­tet. Dies könn­te auf erheb­li­che Men­gen schwe­rer Ele­men­te, ins­be­son­de­re Koh­len­stoff, hin­deu­ten, aus denen Mole­kü­le wie Methan, Koh­len­di­oxid und Koh­len­mon­oxid ent­ste­hen, die häu­fig in Gas­rie­sen­pla­ne­ten vor­kom­men. Alter­na­tiv lie­ße sich dar­aus schlie­ßen, dass der Pla­net eine von Wol­ken durch­zo­ge­ne Atmo­sphä­re hat. Um genaue­re Erkennt­nis­se zu gewin­nen, sind jedoch wei­te­re Unter­su­chun­gen erforderlich.

Pläne und Aussichten

Die­se Arbeit ist nur ein ers­ter Schritt zur Cha­rak­te­ri­sie­rung von Eps Ind Ab. „Unser nächs­tes Ziel ist es, Spek­tren zu gewin­nen, die uns einen detail­lier­ten Fin­ger­ab­druck der Kli­ma­to­lo­gie und der che­mi­schen Zusam­men­set­zung des Pla­ne­ten lie­fern“, sagt Tho­mas Hen­ning, eme­ri­tier­ter Direk­tor am MPIA, stell­ver­tre­ten­der wis­sen­schaft­li­cher Lei­ter des MIRI-Instru­ments und Mit­au­tor des zugrun­de lie­gen­den Artikels.

„Lang­fris­tig hof­fen wir, auch ande­re nahe­ge­le­ge­ne Pla­ne­ten­sys­te­me beob­ach­ten zu kön­nen, um nach kal­ten Gas­rie­sen zu suchen, die mög­li­cher­wei­se bis­lang nicht ent­deckt wur­den“, sagt Matthews. „Eine sol­che Unter­su­chung wür­de als Grund­la­ge für ein bes­se­res Ver­ständ­nis der Ent­ste­hung und Ent­wick­lung von Gas­pla­ne­ten dienen.“

Hintergrundinformationen

Sei­tens des MPIA waren an die­ser Stu­die Eli­sa­beth Matthews, Lein­dert Boo­gaard und Tho­mas Hen­ning beteiligt.

Wei­te­re For­sche­rin­nen und For­scher sind Aarynn Car­ter (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te, Bal­ti­more, USA), Caro­li­ne Mor­ley (Uni­ver­si­ty of Texas at Aus­tin, Aus­tin, USA) und Pras­hant Pat­hak (Indi­an Insti­tu­tes of Tech­no­lo­gy, Kan­pur, Indien).

Das MIRI-Kon­sor­ti­um besteht aus den ESA-Mit­glied­staa­ten Bel­gi­en, Däne­mark, Frank­reich, Deutsch­land, Irland, Nie­der­lan­de, Spa­ni­en, Schwe­den, Schweiz und Groß­bri­tan­ni­en. Die natio­na­len Wis­sen­schafts­or­ga­ni­sa­tio­nen finan­zie­ren die Arbeit des Kon­sor­ti­ums – in Deutsch­land die Max-Planck-Gesell­schaft (MPG) und das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR). Die teil­neh­men­den deut­schen Insti­tu­tio­nen sind das Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie in Hei­del­berg, die Uni­ver­si­tät Köln und die Hen­soldt AG in Ober­ko­chen, ehe­mals Carl Zeiss Optronics.

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

MN

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