Erste 3D-Beobachtungen der Atmosphäre eines Exoplaneten

Erst­mals haben Astro­nom­in­nen und Astro­no­men durch die Atmo­sphä­re eines Pla­ne­ten außer­halb des Son­nen­sys­tems geblickt und sei­ne 3D-Struk­tur kar­tiert. Durch die Kom­bi­na­ti­on aller vier Tele­sko­pe des Very Lar­ge Telescope (VLT) der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO) fan­den sie star­ke Win­de, die che­mi­sche Ele­men­te wie Eisen und Titan trans­por­tie­ren und kom­ple­xe Wet­ter­mus­ter in der Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten erzeu­gen. Die­se Ent­de­ckung ebnet den Weg für detail­lier­te Stu­di­en der che­mi­schen Zusam­men­set­zung und des Wet­ters ande­rer frem­der Welten.

„Die Atmo­sphä­re die­ses Pla­ne­ten ver­hält sich auf eine Wei­se, die unser Ver­ständ­nis der Wet­terab­läu­fe in Fra­ge stellt – nicht nur auf der Erde, son­dern auf allen Pla­ne­ten. Es fühlt sich an, wie etwas aus einem Sci­ence-Fic­tion-Film“, sagt Julia Vic­to­ria Sei­del, For­sche­rin an der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO) in Chi­le und Haupt­au­to­rin der Stu­die, die heu­te in Natu­re ver­öf­fent­licht wurde.

Der Pla­net, WASP-121b (auch bekannt als Tylos), ist etwa 900 Licht­jah­re ent­fernt im Stern­bild Pup­pis (Ach­ter­deck des Schiffs) zu fin­den. Es han­delt sich um einen ultra­hei­ßen Jupi­ter, einen Gas­rie­sen, der sei­nen Mut­ter­stern so nah umkreist, dass ein Jahr dort nur etwa 30 Erd­stun­den dau­ert. Außer­dem ist eine Sei­te des Pla­ne­ten glü­hend heiß, da sie immer dem Stern zuge­wandt ist, wäh­rend die ande­re Sei­te viel küh­ler ist.

Das Team hat nun tief in die Atmo­sphä­re von Tylos hin­ein­ge­späht und dabei unter­schied­li­che Win­de in sepa­ra­ten Schich­ten ent­deckt und eine Kar­te der 3D-Struk­tur der Atmo­sphä­re erstellt. Es ist das ers­te Mal, dass Astro­nom­in­nen und Astro­no­men die Atmo­sphä­re eines Pla­ne­ten außer­halb unse­res Son­nen­sys­tems so tief­ge­hend und detail­liert unter­su­chen konnten.

„Unser Fund war eine Über­ra­schung: Ein Jet­stream wälzt Mate­ri­al um den Äqua­tor des Pla­ne­ten, wäh­rend eine sepa­ra­te Strö­mung in den unte­ren Schich­ten der Atmo­sphä­re Gas von der hei­ßen Sei­te zur küh­le­ren Sei­te trans­por­tiert. Ein sol­ches Kli­ma wur­de noch nie auf einem Pla­ne­ten beob­ach­tet“, sagt Sei­del, die auch am Lagran­ge-Labor des Obser­va­toire de la Côte d’A­zur in Frank­reich forscht. Der beob­ach­te­te Jet­stream erstreckt sich über die Hälf­te des Pla­ne­ten, nimmt an Geschwin­dig­keit zu und wir­belt die Atmo­sphä­re hoch oben am Him­mel hef­tig durch­ein­an­der, wäh­rend er die hei­ße Sei­te von Tylos über­quert. „Selbst die stärks­ten Hur­ri­ka­ne im Son­nen­sys­tem wir­ken im Ver­gleich dazu ruhig“, fügt sie hinzu.

Um die 3D-Struk­tur der Atmo­sphä­re des Exo­pla­ne­ten zu ermit­teln, kom­bi­nier­te das Team mit­hil­fe des ESPRESSO-Instru­ments am VLT der ESO das Licht sei­ner vier gro­ßen Tele­sko­pein­hei­ten zu einem ein­zi­gen Signal. Die­ser kom­bi­nier­te Modus des VLT sam­melt vier­mal so viel Licht wie eine ein­zel­ne Tele­sko­pein­heit und macht schwä­che­re Details sicht­bar. Durch die Beob­ach­tung des Pla­ne­ten wäh­rend eines voll­stän­di­gen Tran­sits vor sei­nem Mut­ter­stern konn­te ESPRESSO Signa­tu­ren meh­re­rer che­mi­scher Ele­men­te erken­nen und so ver­schie­de­ne Schich­ten der Atmo­sphä­re untersuchen.

„Das VLT ermög­lich­te es uns, drei ver­schie­de­ne Schich­ten der Atmo­sphä­re des Exo­pla­ne­ten auf einen Schlag zu unter­su­chen“, sagt Leo­nar­do A. dos San­tos, Mit­au­tor der Stu­die und Assis­tenz­as­tro­nom am Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te in Bal­ti­more, USA. Das Team ver­folg­te die Bewe­gun­gen von Eisen, Natri­um und Was­ser­stoff, wodurch es mög­lich war, die Win­de in den tie­fen, mitt­le­ren und fla­chen Schich­ten der Pla­ne­ten­at­mo­sphä­re zu ver­fol­gen. „Sol­che Beob­ach­tun­gen sind mit Welt­raum­te­le­sko­pen nur sehr schwer durch­zu­füh­ren, was die Bedeu­tung boden­ge­stütz­ter Beob­ach­tun­gen von Exo­pla­ne­ten unter­streicht“, fügt er hinzu.

Inter­es­san­ter­wei­se zeig­ten die Beob­ach­tun­gen auch das Vor­han­den­sein von Titan direkt unter­halb des Jet­streams, wie in einer Begleit­stu­die, die in Astro­no­my and Astro­phy­sics ver­öf­fent­licht wur­de, her­vor­ge­ho­ben wur­de. Dies war eine wei­te­re Über­ra­schung, da frü­he­re Beob­ach­tun­gen des Pla­ne­ten gezeigt hat­ten, dass die­ses Ele­ment nicht vor­han­den war, mög­li­cher­wei­se weil es tief in der Atmo­sphä­re ver­bor­gen ist.

„Es ist wirk­lich ver­blüf­fend, dass wir in der Lage sind, Details wie die che­mi­sche Zusam­men­set­zung und die Wet­ter­mus­ter eines Pla­ne­ten in einer so gro­ßen Ent­fer­nung zu unter­su­chen“, sagt Bibia­na Pri­no­th, Dok­to­ran­din an der Uni­ver­si­tät Lund, Schwe­den, und der ESO, die die Begleit­stu­die lei­te­te und Mit­au­torin des Natu­re-Arti­kels ist.

Um die Atmo­sphä­re klei­ne­rer, erd­ähn­li­cher Pla­ne­ten zu erfor­schen, wer­den jedoch grö­ße­re Tele­sko­pe benö­tigt. Dazu gehört das Extre­me­ly Lar­ge Telescope (ELT) der ESO, das der­zeit in der chi­le­ni­schen Ata­ca­ma-Wüs­te gebaut wird. „Das ELT wird die Erfor­schung der Atmo­sphä­ren von Exo­pla­ne­ten grund­le­gend ver­än­dern“, sagt Pri­no­th. „Die­se Erfah­rung gibt mir das Gefühl, dass wir kurz davor ste­hen, unglaub­li­che Din­ge zu ent­de­cken, von denen wir jetzt nur träu­men kön­nen.“

MN

Hintergrundinformationen

Die For­schungs­er­geb­nis­se wur­den in einem Arti­kel mit dem Titel „Ver­ti­cal struc­tu­re of an exoplanet’s atmo­sphe­ric jet stream“ (doi:10.1038/s41586-025–08664‑1) in der Zeit­schrift Natu­re veröffentlicht.

Die beglei­ten­de For­schungs­ar­beit, die die Anwe­sen­heit von Titan auf­deck­te, wur­de in der Zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics in einem Arti­kel mit dem Titel „Tita­ni­um che­mis­try of WASP-121 b with ESPRESSO in 4‑UT mode“ (doi: 10.1051/0004–6361/202452405) ver­öf­fent­licht.

Die Über­set­zun­gen von eng­lisch­spra­chi­gen ESO-Pres­se­mit­tei­lun­gen sind ein Ser­vice des ESO Sci­ence Out­reach Net­work (ESON), eines inter­na­tio­na­len Netz­werks für astro­no­mi­sche Öffent­lich­keits­ar­beit, in dem Wis­sen­schaft­ler und Wis­sen­schafts­kom­mu­ni­ka­to­ren aus allen ESO-Mit­glieds­län­dern (und eini­gen wei­te­ren Staa­ten) ver­tre­ten sind. Deut­scher Kno­ten des Netz­werks ist das Haus der Astro­no­mie in Hei­del­berg.

Links

• For­schungs­ar­ti­kel (Natu­re)
• For­schungs­ar­ti­kel (A&A)
• Fotos vom VLT
• Erfah­ren Sie mehr über das Extre­me­ly Lar­ge Telescope der ESO auf unse­rer eigens ein­ge­rich­te­ten Inter­net­sei­te und in unse­rer Pres­se­map­pe.
• Der dun­kels­te und klars­te Him­mel der Welt ist durch ein indus­tri­el­les Mega­pro­jekt gefährdet.

Link zur ESO-Pres­se­mit­tei­lung