Trappist‑1 b mit Atmosphäre?

Mes­sun­gen mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb (JWST) näh­ren Zwei­fel an der der­zei­ti­gen Vor­stel­lung zur Beschaf­fen­heit des Exo­pla­ne­ten Trappist‑1 b. Bis­her galt er als dunk­ler Gesteins­pla­net ohne Atmo­sphä­re, der von einem Mil­li­ar­den­jah­re andau­ern­den kos­mi­schen Ein­fluss aus Strah­lung und Ein­schlä­gen gezeich­net ist. Tat­säch­lich scheint das Gegen­teil zu stim­men. Die Ober­flä­che zeigt kei­ne Hin­wei­se für eine Ver­wit­te­rung, was auf geo­lo­gi­sche Akti­vi­tä­ten hin­deu­tet. Alter­na­tiv wür­de auch ein Pla­net mit einer mit Dunst durch­setz­ten Atmo­sphä­re aus Koh­len­di­oxid infra­ge kom­men. Die Ergeb­nis­se ver­deut­li­chen die Her­aus­for­de­run­gen bei der Bestim­mung der Eigen­schaf­ten von Exo­pla­ne­ten mit dün­ner Atmosphäre.

Trappist‑1 b ist einer von sie­ben Gesteins­pla­ne­ten, die den 40 Licht­jah­re ent­fern­ten Stern Trappist‑1 umkrei­sen. Das Pla­ne­ten­sys­tem ist ein­zig­ar­tig, weil es den Astro­nom­in­nen und Astro­no­men erlaubt, gleich sie­ben erd­ähn­li­che Pla­ne­ten aus rela­ti­ver Nähe zu unter­su­chen, wobei sich drei von ihnen in der soge­nann­ten habi­ta­blen Zone befin­den. Das ist der Bereich in einem Pla­ne­ten­sys­tem, in dem ein Pla­net flüs­si­ges Was­ser an der Ober­flä­che auf­wei­sen könn­te. So haben bis­her zehn For­schungs­pro­gram­me die­ses Sys­tem mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb (JWST) wäh­rend ins­ge­samt 290 Stun­den ins Visier genommen.

Die aktu­el­le Stu­die, an der For­sche­rin­nen und For­scher des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­de­berg maß­geb­lich betei­ligt sind, wur­de von Elsa Ducrot vom Com­mis­sa­ri­at aux Éner­gies Ato­mi­ques (CEA) in Paris, Frank­reich, gelei­tet. Die­se Unter­su­chung nutzt Mes­sun­gen der ther­mi­schen Infra­rot­strah­lung des Pla­ne­ten Trappist‑1 b mit MIRI (Mid-Infrared Imager) am JWST und wur­de nun in der Zeit­schrift Natu­re Astro­no­my ver­öf­fent­licht. Dabei schließt sie die Ergeb­nis­se aus dem Vor­jahr mit ein, auf die die bis­he­ri­gen Schluss­fol­ge­run­gen beru­hen und Trappist‑1 b als einen dunk­len Gesteins­pla­ne­ten ohne Atmo­sphä­re beschreiben.

Die Kruste von Trappist‑1 b könnte geologisch aktiv sein.

„Die Vor­stel­lung eines Gesteins­pla­ne­ten mit einer stark ver­wit­ter­ten Ober­flä­che ohne Atmo­sphä­re ist jedoch mit der aktu­el­len Mes­sung nicht ver­ein­bar“, sagt MPIA-Astro­nom Jero­en Bouw­man, der mit­ver­ant­wort­lich für das Beob­ach­tungs­pro­gramm war. „Des­we­gen den­ken wir, dass der Pla­net mit rela­tiv unver­än­der­tem Mate­ri­al bedeckt ist.“ Gewöhn­lich wird die Ober­flä­che von der Strah­lung des Zen­tral­sterns und Ein­schlä­gen von Meteo­ri­ten ver­wit­tert. Die Ergeb­nis­se spre­chen aber dafür, dass das Gestein an der Ober­flä­che höchs­tens etwa 1000 Jah­re alt ist, deut­lich weni­ger als das Pla­ne­ten­sys­tem, des­sen Alter auf eini­ge Mil­li­ar­den Jah­re geschätzt wird.

Das könn­te dar­auf hin­deu­ten, dass die Pla­ne­ten­krus­te dra­ma­ti­schen Ver­än­de­run­gen unter­wor­fen ist, die womög­lich durch einen extre­men Vul­ka­nis­mus oder Plat­ten­tek­to­nik zu erklä­ren wären. Auch wenn solch ein Sze­na­rio noch eine hypo­the­ti­sche Betrach­tung dar­stellt, ist es doch plau­si­bel. Der Pla­net ist groß genug, dass das Inne­re noch Rest­wär­me aus sei­ner Ent­ste­hung erhal­ten haben dürf­te – wie bei der Erde. Die Gezei­ten­wir­kung des Zen­tral­sterns und der übri­gen Pla­ne­ten dürf­te Trappist‑1 b zudem so ver­for­men, dass die ent­ste­hen­de inne­re Rei­bung Wär­me erzeugt – ähn­lich, wie wir es beim Jupi­ter­mond Io sehen. Zusätz­lich wäre induk­ti­ves Hei­zen durch das Magnet­feld des nahen Sterns denkbar.

Hat Trappist‑1 b womöglich doch eine Atmosphäre?

„Die Daten las­sen eben­falls eine gänz­lich ande­re Lösung zu“, sagt Tho­mas Hen­ning, eme­ri­tier­ter Direk­tor des MPIA. Er war einer der Haupt­ver­ant­wort­li­chen für den Bau des MIRI-Instru­ments. „Im Gegen­satz zur bis­he­ri­gen Vor­stel­lung gibt es Bedin­gun­gen, unter denen der Pla­net eine dicke Atmo­sphä­re reich an Koh­len­di­oxid (CO₂) besit­zen könn­te.“ Eine wesent­li­che Rol­le bei die­sem Sze­na­rio spielt Dunst aus Koh­len­was­ser­stoff­ver­bin­dun­gen, also Smog, in der Hochatmosphäre.

Die bei­den Beob­ach­tungs­pro­gram­me, die sich in der aktu­el­len Stu­die ergän­zen, soll­ten die Hel­lig­keit von Trappist‑1 b bei ver­schie­de­nen Wel­len­län­gen im ther­mi­schen Infra­rot­be­reich (12,8 und 15 Mikro­me­ter) ermit­teln. Die ers­te Beob­ach­tung war emp­find­lich für die Absorp­ti­on der Infra­rot­strah­lung des Pla­ne­ten durch eine Schicht aus CO₂. Eine ver­min­der­te Hel­lig­keit wur­de jedoch nicht gemes­sen, wes­we­gen die For­schen­den dar­aus schlos­sen, dass der Pla­net kei­ne Atmo­sphä­re besitzt.

Bild: Dar­stel­lung der von Trappist‑1 b abge­ge­be­nen Infra­rothel­lig­keit bei 12,8 und 15 Mikro­me­tern für ver­schie­de­ne Sze­na­ri­en mit nack­tem Gestein und Atmo­sphä­re. Die vier Fäl­le zei­gen an, wel­che mit den aktu­el­len Daten über­ein­stim­men und wel­che nicht. (a) Dunk­les, nack­tes Gestein pro­du­ziert eine Infra­rothel­lig­keit, die grö­ßer ist als beob­ach­tet. (b) Die beob­ach­te­te Infra­rothel­lig­keit ist gut ver­ein­bar mit einer nur wenig oder unver­wit­ter­ten Ober­flä­che aus mag­ma­ti­schem Gestein. © Eine Atmo­sphä­re aus Koh­len­di­oxid und einem hohen Dunst­schlei­er könn­te eben­falls die Mess­da­ten erklä­ren, indem ein Groß­teil der Infra­rot­strah­lung von hohen atmo­sphä­ri­schen Schich­ten stammt. (d) Erd­ähn­li­che Atmo­sphä­ren absor­bie­ren einen Teil der von der Ober­flä­che erzeug­ten Infra­rot­strah­lung, was zu Hel­lig­kei­ten füh­ren wür­de, die in Trappist‑1 b nicht beob­ach­tet wurden.

Das For­schungs­team hat Modell­rech­nun­gen durch­ge­führt, die zei­gen, dass Dunst die Tem­pe­ra­tur­schich­tung einer CO₂-rei­chen Atmo­sphä­re umkeh­ren kann. Nor­ma­ler­wei­se sind die tie­fe­ren, boden­na­hen Schich­ten wegen des höhe­ren Drucks wär­mer als die obe­ren. Weil der Dunst das Stern­licht absor­biert und sich erwärmt, wür­de er statt­des­sen – unter­stützt durch einen Treib­haus­ef­fekt – die obe­ren Schich­ten der Atmo­sphä­re hei­zen. Dadurch absor­biert das Koh­len­di­oxid dort nicht die Wär­me­strah­lung aus den unte­ren Schich­ten, son­dern gibt selbst Infra­rot­strah­lung ab.

Etwas Ähn­li­ches sehen wir beim Saturn­mond Titan. Sei­ne Dunst­schicht bil­det sich dort sehr wahr­schein­lich unter dem Ein­fluss der ultra­vio­let­ten (UV) Strah­lung der Son­ne aus den koh­len­stoff­rei­chen Gasen der Atmo­sphä­re. Etwas Ver­gleich­ba­res könn­te auch auf Trappist‑1 b gesche­hen, weil sein Stern eben­falls in erheb­li­chem Maße UV-Strah­lung abgibt.

Es ist kompliziert.

Auch wenn die Daten zu die­sem Sze­na­rio pas­sen, schät­zen die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men es den­noch im Ver­gleich als weni­ger wahr­schein­lich ein. Einer­seits ist es schwie­ri­ger, wenn auch nicht unmög­lich, aus einer CO₂-rei­chen Atmo­sphä­re Koh­len­was­ser­stoff­ver­bin­dun­gen zu erzeu­gen, die einen Dunst bil­den. Die Atmo­sphä­re des Titan besteht dage­gen haupt­säch­lich aus Methan. Zudem bleibt das Pro­blem, dass die akti­ven roten Zwerg­ster­ne, zu denen Trappist‑1 zählt, Strah­lung und Win­de pro­du­zie­ren, die über meh­re­re Mil­li­ar­den Jah­re hin­weg die Atmo­sphä­ren von nahen Pla­ne­ten leicht abtra­gen können.

Trappist‑1 b ist ein anschau­li­ches Bei­spiel dafür, wie schwie­rig der Nach­weis und die Bestim­mung der Atmo­sphä­ren von Gesteins­pla­ne­ten der­zeit noch ist – selbst für das JWST. Im Ver­gleich zu Gas­pla­ne­ten sind sie dünn und erzeu­gen des­we­gen nur schwa­che mess­ba­re Signa­tu­ren. Die bei­den Beob­ach­tun­gen zur Unter­su­chung von Trappist‑1 b, die Hel­lig­keits­wer­te bei zwei Wel­len­län­gen lie­fer­ten, dau­er­ten ins­ge­samt fast 48 Stun­den, was nicht aus­reich­te, um zwei­fels­frei zu ent­schei­den, ob der Pla­net eine Atmo­sphä­re hat.

Finsternisse und Bedeckungen als Werkzeug

Die Beob­ach­tun­gen nutz­ten die gerin­ge Nei­gung der Pla­ne­ten­ebe­ne gegen­über unse­rer Sicht­li­nie zu Trappist‑1 aus. Dadurch lau­fen die sie­ben Pla­ne­ten bei jedem Umlauf vor dem Stern vor­bei und ver­dun­keln ihn leicht. Dar­aus erge­ben sich meh­re­re Mög­lich­kei­ten, etwas über die Beschaf­fen­heit der Pla­ne­ten und ihrer Atmo­sphä­ren zu erfahren.

Gut eta­bliert hat sich die soge­nann­te Tran­sit­spek­tro­sko­pie. Hier­bei wird die Ver­dunk­lung eines Sterns durch sei­ne Pla­ne­ten abhän­gig von der Wel­len­län­ge gemes­sen. Neben der Bede­ckung durch den undurch­sich­ti­gen Pla­ne­ten­kör­per, aus der Astro­nom­in­nen und Astro­no­men den Durch­mes­ser des Pla­ne­ten ermit­teln, absor­bie­ren die Gase in den Atmo­sphä­ren bei bestimm­ten Wel­len­län­gen das Licht des Sterns. Dar­aus schlie­ßen sie, ob ein Pla­net eine Atmo­sphä­re hat und wor­aus sie besteht. Lei­der hat die­se Metho­de ins­be­son­de­re bei Pla­ne­ten­sys­te­men wie Trappist‑1 Nach­tei­le. Küh­le, rote Zwerg­ster­ne wei­sen oft gro­ße Stern­fle­cken und star­ke Erup­tio­nen auf, die die Mes­sung ent­schei­dend beeinträchtigen.

Bild: Die­se Abbil­dung zeigt die Beob­ach­tung von Trappist‑1 b wäh­rend einer Bede­ckung. Ent­lang der Umlauf­bahn wer­den ver­schie­de­ne Regio­nen sei­ner Ober­flä­che sicht­bar. Die dem Stern zuge­wand­te Sei­te ist deut­lich hei­ßer und strahlt hel­les ther­mi­sches Infra­rot­licht ab. Das voll­stän­di­ge Signal wird kurz vor und nach der Bede­ckung des Pla­ne­ten erfasst, wobei wäh­rend des Ereig­nis­ses nur die Hel­lig­keit des Sterns auf­ge­zeich­net wird. In der unte­ren Hälf­te ver­an­schau­licht die Gra­fik die Hel­lig­keits­mes­sun­gen des Sterns allein und in Kom­bi­na­ti­on mit der Tag­sei­te des Pla­ne­ten und hebt die Hel­lig­keits­än­de­run­gen im Lau­fe der Zeit hervor.

Astro­nom­in­nen und Astro­no­men umge­hen die­ses Pro­blem weit­ge­hend, wenn sie statt­des­sen die vom Stern auf­ge­heiz­te Sei­te eines Exo­pla­ne­ten im ther­mi­schen Infra­rot­licht beob­ach­ten, so wie in der aktu­el­len Stu­die mit Trappist‑1 b. Die hel­le Tag­sei­te ist beson­ders gut zu sehen, kurz bevor und nach­dem der Pla­net auf sei­ner Bahn vom Stern ver­deckt wird. Die vom Pla­ne­ten aus­ge­sand­te Infra­rot­strah­lung ent­hält Infor­ma­tio­nen über sei­ne Ober­flä­che und Atmo­sphä­re. Sol­che Beob­ach­tun­gen sind gegen­über der Tran­sit­spek­tro­sko­pie aller­dings zeitintensiver.

Ange­sichts des Poten­zi­als die­ser Art von Mes­sun­gen, bei denen ein Pla­net vom Stern ver­deckt wird, hat die NASA kürz­lich ein aus­ge­dehn­tes Beob­ach­tungs­pro­gramm geneh­migt, um die Atmo­sphä­ren von Gesteins­pla­ne­ten um nahe­ge­le­ge­ne, mas­se­ar­me Ster­ne zu unter­su­chen. Die­ses außer­ge­wöhn­li­che Pro­gramm, genannt „Rocky Worlds“, beinhal­tet unter ande­rem 500 Stun­den Beob­ach­tungs­zeit mit dem JWST.

Gewissheit über Trappist‑1 b

Das For­schungs­team erwar­tet, dass die end­gül­ti­ge Gewiss­heit durch eine wei­te­re Beob­ach­tungs­va­ri­an­te erlangt wer­den kann. Dabei wird der kom­plet­te Umlauf des Pla­ne­ten um den Stern erfasst, so dass alle Beleuch­tungs­pha­sen von der dunk­len Nacht­sei­te beim Vor­bei­zug vor dem Stern bis hin zur hel­len Tag­sei­te kurz vor und nach der Bede­ckung durch den Stern ein­be­zo­gen wer­den. Dar­aus lässt sich eine soge­nann­te Pha­sen­kur­ve erstel­len, die die Hel­lig­keits­än­de­rung des Pla­ne­ten ent­lang sei­ner Bahn angibt. Dadurch kön­nen die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men die Tem­pe­ra­tur­ver­tei­lung auf dem Pla­ne­ten ableiten.

Die­se Mes­sung hat das Team mit Trappist‑1 b bereits durch­ge­führt. Durch die Aus­wer­tung, wie sich die Wär­me auf dem Pla­ne­ten ver­teilt, kön­nen sie auf das Vor­han­den­sein einer Atmo­sphä­re schlie­ßen. Sie hilft näm­lich dabei, die Wär­me von der Tag- auf die Nacht­sei­te zu trans­por­tie­ren. Soll­te sich die Tem­pe­ra­tur abrupt am Über­gang der bei­den Sei­ten ändern, spricht das für das Feh­len einer Atmosphäre.

Hintergrundinformationen

Sei­tens des MPIA waren an die­ser Stu­die Jero­en Bouw­man, Tho­mas Hen­ning, Oli­ver Krau­se und Sil­via Scheit­hau­er beteiligt.

Wei­te­re For­sche­rin­nen und For­scher sind Elsa Ducrot (LESIA, Obser­va­toire de Paris, CNRS, Uni­ver­si­té Paris Dide­rot, Uni­ver­si­té Pierre et Marie Curie, Meu­don, Frank­reich und Uni­ver­si­té Paris-Saclay, Uni­ver­si­té Paris Cité, CEA, CNRS, AIM, Gif-sur-Yvette, Frank­reich [CEA]), Pierre-Oli­vi­er Lagage (CEA), Michiel Min (SRON Net­her­lands Insti­tu­te for Space Rese­arch, Lei­den, Nie­der­lan­de) und Michaël Gil­lon (Astro­bio­lo­gy Rese­arch Unit, Uni­ver­si­ty of Lie­ge, Liê­ge, Belgien).

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

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA