Webb enthüllt komplexe Atmosphäre eines sternenlosen Super-Jupiters

Ein inter­na­tio­na­les For­scher­team hat her­aus­ge­fun­den, dass die zuvor beob­ach­te­ten Hel­lig­keits­schwan­kun­gen bei einem ster­nen­lo­sen Objekt pla­ne­ta­rer Mas­se mit der Bezeich­nung SIMP 0136 das Ergeb­nis einer kom­ple­xen Kom­bi­na­ti­on atmo­sphä­ri­scher Fak­to­ren sein müs­sen und nicht allein durch Wol­ken erklärt wer­den können.

Mit Hil­fe des James Webb-Welt­raum­te­le­skops der NASA/ESA/CSA, das ein brei­tes Spek­trum des von SIMP 0136 aus­ge­strahl­ten Infra­rot­lichts über zwei vol­le Rota­ti­ons­pe­ri­oden hin­weg über­wacht, konn­te das Team Varia­tio­nen in den Wol­ken­schich­ten, der Tem­pe­ra­tur und der Koh­len­stoff­che­mie fest­stel­len, die zuvor nicht sicht­bar waren. Die Ergeb­nis­se geben einen ent­schei­den­den Ein­blick in die drei­di­men­sio­na­le Kom­ple­xi­tät der Atmo­sphä­ren von Gas­rie­sen inner­halb und außer­halb unse­res Sonnensystems.

Schnell rotierend, frei schwebend

SIMP 0136 ist ein schnell rotie­ren­des, frei schwe­ben­des Objekt mit etwa der 13-fachen Mas­se des Jupi­ters, das sich in der Milch­stra­ße nur 20 Licht­jah­re von der Erde ent­fernt befin­det. Obwohl er nicht als Gas­rie­sen-Exo­pla­net klas­si­fi­ziert ist – er umkreist kei­nen Stern und könn­te statt­des­sen ein Brau­ner Zwerg sein – ist SIMP 0136 ein idea­les Ziel für die Exo-Meteo­ro­lo­gie: Er ist das hells­te Objekt sei­ner Art am Nord­him­mel. Da er iso­liert ist, kann er direkt und ohne Angst vor Licht­ver­schmut­zung oder Varia­bi­li­tät durch einen Mut­ter­stern beob­ach­tet wer­den. Und sei­ne kur­ze Rota­ti­ons­pe­ri­ode von nur 2,4 Stun­den ermög­licht eine sehr effi­zi­en­te Durchmusterung.

Vor den Webb-Beob­ach­tun­gen war SIMP 0136 mit­hil­fe erd­ge­bun­de­ner Obser­va­to­ri­en sowie dem Spit­zer-Welt­raum­te­le­skop der NASA und dem Hub­ble-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA umfas­send unter­sucht worden.

„Wir wuss­ten bereits, dass die Hel­lig­keit vari­iert, und wir waren über­zeugt, dass es lücken­haf­te Wol­ken­schich­ten gibt, die abwech­selnd ins Blick­feld gera­ten und wie­der ver­schwin­den und sich im Lau­fe der Zeit ver­än­dern“, erklär­te Alli­son McCar­thy, Dok­to­ran­din an der Bos­ton Uni­ver­si­ty und Haupt­au­to­rin einer heu­te in The Astro­phy­si­cal Jour­nal Let­ters ver­öf­fent­lich­ten Stu­die . „Wir dach­ten auch, dass Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen, che­mi­sche Reak­tio­nen und mög­li­cher­wei­se eini­ge Aus­wir­kun­gen der Polar­licht­ak­ti­vi­tät die Hel­lig­keit beein­flus­sen könn­ten, aber wir waren uns nicht sicher.“

Um dies her­aus­zu­fin­den, benö­tig­te das Team Webbs Fähig­keit, Hel­lig­keits­än­de­run­gen über einen brei­ten Wel­len­län­gen­be­reich hin­weg sehr prä­zi­se zu messen.

Kartierung tausender Infrarot-Regenbögen

Mit­hil­fe des Near-Infrared Spec­tro­graph (NIR­Spec ) erfass­te Webb Tau­sen­de ein­zel­ner Spek­tren im Bereich von 0,6 bis 5,3 Mikro­me­tern – alle 1,8 Sekun­den eines über einen Zeit­raum von mehr als drei Stun­den, wäh­rend das Objekt eine vol­le Rota­ti­on voll­ende­te. Unmit­tel­bar dar­auf folg­te eine Beob­ach­tung mit MIRI (Mid-Infrared Instru­ment), das wäh­rend einer wei­te­ren Rota­ti­on Hun­der­te Mes­sun­gen von Licht im Bereich von 5 bis 14 Mikro­me­tern sam­mel­te – alle 19,2 Sekun­den eine. Das Ergeb­nis waren Hun­der­te detail­lier­ter Licht­kur­ven, von denen jede die Hel­lig­keits­än­de­rung einer sehr prä­zi­sen Wel­len­län­ge (Far­be) zeig­te, als unter­schied­li­che Sei­ten des Objekts ins Blick­feld des Instru­ments gerieten.

„Es war unglaub­lich, zu sehen, wie sich das gesam­te Spek­trum die­ses Objekts im Lau­fe von Minu­ten ver­än­der­te“, sag­te die lei­ten­de For­sche­rin Johan­na Vos vom Tri­ni­ty Col­lege Dub­lin. „Bis jetzt hat­ten wir nur einen klei­nen Aus­schnitt des Nahin­fra­rot­spek­trums von Hub­ble und ein paar Hel­lig­keits­mes­sun­gen von Spitzer.“

Das Team bemerk­te fast sofort, dass es meh­re­re deut­lich unter­scheid­ba­re Licht­kur­ven gab. Zu jedem Zeit­punkt wur­den eini­ge Wel­len­län­gen hel­ler, wäh­rend ande­re schwä­cher wur­den oder sich über­haupt nicht ver­än­der­ten. Die Hel­lig­keits­schwan­kun­gen müs­sen von einer Rei­he unter­schied­li­cher Fak­to­ren beein­flusst werden.

„Stel­len Sie sich vor, Sie wür­den die Erde aus der Fer­ne betrach­ten. Wenn Sie jede Far­be ein­zeln betrach­ten wür­den, wür­den Sie unter­schied­li­che Mus­ter erken­nen, die Ihnen etwas über ihre Ober­flä­che und Atmo­sphä­re ver­ra­ten, selbst wenn Sie die ein­zel­nen Merk­ma­le nicht erken­nen könn­ten“, erklär­te Co-Autor Phil­ip Muir­head, eben­falls von der Bos­ton Uni­ver­si­ty. „Blau wür­de zuneh­men, wenn die Ozea­ne ins Blick­feld gera­ten. Ver­än­de­run­gen in Braun und Grün wür­den Ihnen etwas über Boden und Vege­ta­ti­on verraten.“

Fleckige Wolken, Hotspots und Kohlenstoffchemie

Um her­aus­zu­fin­den, was die Ursa­che für die Schwan­kun­gen auf SIMP 0136 sein könn­te, nutz­te das Team atmo­sphä­ri­sche Model­le, um zu zei­gen, wo in der Atmo­sphä­re die ein­zel­nen Wel­len­län­gen des Lichts herkommen.

„Ver­schie­de­ne Wel­len­län­gen geben Auf­schluss über unter­schied­li­che Tie­fen in der Atmo­sphä­re“, erklärt McCar­thy. „Wir stell­ten fest, dass die Wel­len­län­gen, die die ähn­lichs­ten Licht­kur­ven­for­men auf­wie­sen, auch die glei­chen Tie­fen erkun­de­ten, was die Idee ver­stärk­te, dass sie durch den­sel­ben Mecha­nis­mus ver­ur­sacht wer­den müssen.“

Eine Grup­pe von Wel­len­län­gen stammt zum Bei­spiel aus den Tie­fen der Atmo­sphä­re, wo sich lücken­haf­te Wol­ken aus Eisen­par­ti­keln befin­den könn­ten. Eine zwei­te Grup­pe stammt aus höhe­ren Wol­ken, die ver­mut­lich aus win­zi­gen Kör­nern von Sili­kat­mi­ne­ra­li­en bestehen. Die Schwan­kun­gen in die­sen bei­den Licht­kur­ven hän­gen mit der Unein­heit­lich­keit der Wol­ken­schich­ten zusammen.

Eine drit­te Grup­pe von Wel­len­län­gen ent­steht in sehr gro­ßer Höhe, weit über den Wol­ken, und scheint der Tem­pe­ra­tur zu fol­gen. Hel­le „Hot Spots“ könn­ten mit Polar­lich­tern zusam­men­hän­gen, die zuvor bei Radio­wel­len­län­gen ent­deckt wur­den, oder mit dem Auf­stei­gen von hei­ßem Gas aus tie­fe­ren Schich­ten der Atmosphäre.

Eini­ge der Licht­kur­ven las­sen sich weder durch Wol­ken noch durch Tem­pe­ra­tur erklä­ren, son­dern zei­gen Varia­tio­nen, die mit der atmo­sphä­ri­schen Koh­len­stoff­che­mie zusam­men­hän­gen. Es könn­te Koh­len­mon­oxid- und Koh­len­di­oxid­ein­schlüs­se geben, die abwech­selnd ins Blick­feld gera­ten oder ver­schwin­den, oder che­mi­sche Reak­tio­nen, die die Atmo­sphä­re verändern.

„Den che­mi­schen Teil des Puz­zles haben wir noch nicht wirk­lich her­aus­ge­fun­den“, sag­te Vos. „Aber die­se Ergeb­nis­se sind wirk­lich auf­re­gend, weil sie uns zei­gen, dass sich die Häu­fig­keit von Mole­kü­len wie Methan und Koh­len­di­oxid von Ort zu Ort und im Lau­fe der Zeit ändern kann. Wenn wir einen Exo­pla­ne­ten unter­su­chen und nur eine Mes­sung durch­füh­ren kön­nen, müs­sen wir beden­ken, dass die­se mög­li­cher­wei­se nicht reprä­sen­ta­tiv für den gesam­ten Pla­ne­ten ist.“

Die­se For­schung wur­de im Rah­men von Webbs Gene­ral Obser­ver (GO)-Programm 3548 durchgeführt .

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals in den Welt­raum gebracht wur­de. Im Rah­men einer inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ver­ein­ba­rung stell­te die ESA den Start­dienst des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 bereit. In Zusam­men­ar­beit mit Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­ka­ti­on der Aria­ne-5-Adap­tio­nen für die Webb-Mis­si­on und für die Beschaf­fung des Start­diens­tes durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te außer­dem den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Mit­tel­in­fra­rot­in­stru­ments MIRI zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um natio­nal finan­zier­ter euro­päi­scher Insti­tu­te (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit JPL und der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ent­wor­fen und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olm­sted (STScI)

Links

• Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Website
• Ver­öf­fent­li­chung auf der NASA-Website
• Wis­sen­schaft­li­ches Paper

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2502a