JWST ermittelt den Ursprung des extrem heißen Exoplaneten WASP-121b

Beob­ach­tun­gen mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb (JWST) haben neue Hin­wei­se dar­auf gelie­fert, wie der Exo­pla­net WASP-121b ent­stan­den ist und wo er sich ursprüng­lich in der Gas- und Staub­schei­be um sei­nen Stern gebil­det haben könn­te. Die­se Erkennt­nis­se beru­hen auf dem Nach­weis meh­re­rer wich­ti­ger Mole­kü­le: Was­ser­dampf, Koh­len­mon­oxid, Sili­zi­um­mon­oxid und Methan. Dar­aus erstell­te ein Team unter der Lei­tung der Astro­no­men Tho­mas Evans-Soma und Cyril Gapp eine Bestands­auf­nah­me des Kohlenstoff‑, Sau­er­stoff- und Sili­zi­um­ge­halts in der Atmo­sphä­re von WASP-121b. Ins­be­son­de­re der Nach­weis von Methan deu­tet auf star­ke ver­ti­ka­le Win­de auf der küh­le­ren Nacht­sei­te hin, ein Pro­zess, der in aktu­el­len Model­len oft unbe­rück­sich­tigt bleibt.

WASP-121b ist ein ultra­hei­ßer Rie­sen­pla­net, der sei­nen Mut­ter­stern in einer Ent­fer­nung umkreist, die nur etwa dem dop­pel­ten Durch­mes­ser des Sterns ent­spricht. Eine Umrun­dung dau­ert etwa 30,5 Stun­den. Der Pla­net weist zwei unter­schied­li­che Hälf­ten auf: eine, die immer dem Mut­ter­stern zuge­wandt ist und an eini­gen Stel­len Tem­pe­ra­tu­ren von über 3.000 Grad Cel­si­us erreicht, und eine ewi­ge Nacht­sei­te, auf der die Tem­pe­ra­tu­ren auf 1.500 Grad sinken.

„Die Tem­pe­ra­tu­ren auf der Tag­sei­te sind hoch genug, dass hit­ze­be­stän­di­ge Mate­ria­li­en – gewöhn­lich Fest­stof­fe – als gas­för­mi­ge Bestand­tei­le der Pla­ne­ten­at­mo­sphä­re exis­tie­ren kön­nen“, erklärt Tho­mas Evans-Soma. Er ist Astro­nom am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg und an der Uni­ver­si­ty of New­cast­le in Aus­tra­li­en. Evans-Soma lei­te­te die heu­te in Natu­re Astro­no­my ver­öf­fent­lich­te Studie.

Die Herkunft von WASP-121b

Das Team unter­such­te die Häu­fig­keit von Ver­bin­dun­gen, die bei sehr unter­schied­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren ver­damp­fen, um Hin­wei­se auf die Ent­ste­hung und Ent­wick­lung des Pla­ne­ten zu erhal­ten. „Gase sind leich­ter zu iden­ti­fi­zie­ren als Flüs­sig­kei­ten und Fest­stof­fe“, erklär­te Cyril Gapp, MPIA-Stu­dent und Erst­au­tor einer zwei­ten Stu­die, die heu­te in The Astro­no­mic­al Jour­nal ver­öf­fent­licht wur­de. „Da dort vie­le che­mi­sche Ver­bin­dun­gen gas­för­mig sind, nut­zen Astro­no­men WASP-121b als natür­li­ches Labor, um die Eigen­schaf­ten pla­ne­ta­rer Atmo­sphä­ren zu untersuchen.“

Das Team kam zu dem Schluss, dass WASP-121b den größ­ten Teil sei­nes Gases wahr­schein­lich in einer Regi­on ange­sam­melt hat, die kalt genug ist, damit Was­ser gefro­ren bleibt, aber warm genug, damit Methan (CH4) ver­damp­fen und als Gas exis­tie­ren kann. Da Pla­ne­ten in einer Schei­be aus Gas und Staub ent­ste­hen, die einen jun­gen Stern umgibt, tre­ten sol­che Bedin­gun­gen in Ent­fer­nun­gen auf, in denen die Strah­lung des Sterns die ent­spre­chen­den Tem­pe­ra­tu­ren erzeugt.

In unse­rem Son­nen­sys­tem liegt die­se Regi­on zwi­schen den Umlauf­bah­nen von Jupi­ter und Ura­nus. Dies ist bemer­kens­wert, da sich WASP-121b nun gefähr­lich nahe an der Ober­flä­che sei­nes Mut­ter­sterns befin­det. Dar­aus lässt sich schlie­ßen, dass er nach sei­ner Ent­ste­hung eine lan­ge Rei­se von den eisi­gen Außen­re­gio­nen zum Zen­trum des Pla­ne­ten­sys­tems unter­nom­men hat.

Die ereignisreiche Jugend von WASP-121b

Sili­zi­um wur­de als Sili­zi­um­mon­oxid (SiO) in gas­för­mi­ger Form nach­ge­wie­sen. Ursprüng­lich gelang­te es jedoch über Gesteins­ma­te­ri­al wie Quarz, das in Pla­ne­te­si­ma­len – im Wesent­li­chen Aste­ro­iden – gespei­chert war, in den Pla­ne­ten, nach­dem die­ser den größ­ten Teil sei­ner Gas­hül­le gebil­det hat­te. Die Ent­ste­hung von Pla­ne­te­si­ma­len dau­ert eini­ge Zeit, was dar­auf hin­deu­tet, dass die­ser Pro­zess in den spä­te­ren Pha­sen der Pla­ne­ten­ent­wick­lung stattfand.

Die rela­ti­ven Häu­fig­kei­ten von Koh­len­stoff, Sau­er­stoff und Sili­zi­um geben Auf­schluss dar­über, wie die­ser Pla­net ent­stan­den ist und wie er sein Mate­ri­al erhal­ten hat. Tho­mas Evans-Soma

Die Pla­ne­ten­ent­ste­hung beginnt mit eisi­gen Staub­par­ti­keln, die zusam­men­kle­ben und all­mäh­lich zu zen­ti­me­ter- bis meter­gro­ßen Kie­sel­stei­nen wach­sen. Die­se zie­hen umge­ben­des Gas und klei­ne Par­ti­kel an und beschleu­ni­gen so ihr Wachs­tum. Das sind die Saat­kör­ner zukünf­ti­ger Pla­ne­ten wie WASP-121b. Der Strö­mungs­wi­der­stand des umge­ben­den Gases bewirkt, dass die Kie­sel­stei­ne spi­ral­för­mig nach innen in Rich­tung des Sterns wan­dern. Wäh­rend­des­sen beginnt das in ihnen ent­hal­te­ne Eis in den wär­me­ren inne­ren Regio­nen der Schei­be zu verdampfen.

Auf ihrer Umlauf­bahn um ihren Mut­ter­stern kön­nen die jun­gen Pla­ne­ten so groß wer­den, dass sie erheb­li­che Lücken in der pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be hin­ter­las­sen. Dadurch wird die Drift der Kie­sel­stei­ne nach innen und die Zufuhr von Eis gestoppt, es bleibt jedoch genü­gend Gas für den Auf­bau einer aus­ge­dehn­ten Atmosphäre.

Im Fall von WASP-121b scheint dies an einer Stel­le gesche­hen zu sein, an der Methan-Kie­sel ver­dampf­ten und das Gas, das der Pla­net mit Koh­len­stoff ver­sorg­te, anrei­chern konn­ten. Im Gegen­satz dazu blie­ben Was­ser­kie­sel gefro­ren und schlos­sen den dar­in gebun­de­nen Sau­er­stoff ein. Die­ses Sze­na­rio erklärt am bes­ten, war­um Evans-Soma und Gapp ein grö­ße­res Ver­hält­nis von Koh­len­stoff zu Sau­er­stoff in der Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten als in sei­nem Mut­ter­stern beob­ach­te­ten. WASP-121b zog auch nach dem Ende des Zuflus­ses sau­er­stoff­rei­cher Kie­sel­stei­ne wei­ter­hin koh­len­stoff­rei­ches Gas an, wodurch sich die end­gül­ti­ge Zusam­men­set­zung sei­ner Atmo­sphä­re festigte.

Methan weist auf starke vertikale Winde hin

Wenn sich die Tem­pe­ra­tur einer Atmo­sphä­re ver­än­dert, ist zu erwar­ten, dass sich die Men­gen ver­schie­de­ner Mole­kü­le, wie Methan und Koh­len­mon­oxid, anpas­sen. Bei den extrem hohen Tem­pe­ra­tu­ren auf der Tag­sei­te von WASP-121b ist Methan sehr insta­bil und kommt nicht in nach­weis­ba­ren Men­gen vor. Astro­no­men haben für Pla­ne­ten wie WASP-121b ermit­telt, dass Gas aus der Tag­sei­te schnel­ler in die rela­tiv küh­le Nacht­sei­te gelan­gen soll­te, als sich die Gas­zu­sam­men­set­zung an die nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren anpas­sen kann. Unter die­sem Sze­na­rio wäre zu erwar­ten, dass die Methankon­zen­tra­ti­on auf der Nacht­sei­te eben­so wie auf der Tag­sei­te ver­nach­läs­sig­bar ist. Als die Astro­no­men statt­des­sen reich­lich Methan auf der Nacht­sei­te von WASP-121b nach­wie­sen, war dies eine völ­li­ge Überraschung.

Um die­ses Ergeb­nis zu erklä­ren, schlägt das Team vor, dass Methan­gas auf der Nacht­sei­te schnell wie­der auf­ge­füllt wer­den muss, um sei­ne hohe Kon­zen­tra­ti­on auf­recht­zu­er­hal­ten. Ein plau­si­bler Mecha­nis­mus hier­für sind star­ke ver­ti­ka­le Strö­mun­gen, die Methan­gas aus den unte­ren Schich­ten der Atmo­sphä­re auf­stei­gen las­sen. Dank der rela­tiv nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren auf der Nacht­sei­te und des hohen Koh­len­stoff-Sau­er­stoff-Ver­hält­nis­ses der Atmo­sphä­re sind sie reich an Methan. „Dies stellt die dyna­mi­schen Model­le von Exo­pla­ne­ten in Fra­ge. Sie müs­sen wahr­schein­lich ange­passt wer­den, um die star­ke ver­ti­ka­le Durch­mi­schung nach­zu­bil­den, die wir auf der Nacht­sei­te von WASP-121b ent­deckt haben“, so Evans-Soma.

Die Rolle des JWST bei der Entdeckung

Das Team ver­wen­de­te den Nahin­fra­rot­spek­tro­gra­fen (NIR­Spec) des JWST, um WASP-121b auf sei­ner gesam­ten Umlauf­bahn um sei­nen Mut­ter­stern zu beob­ach­ten. Wäh­rend sich der Pla­net um sei­ne eige­ne Ach­se dreht, vari­iert die von sei­ner Ober­flä­che emp­fan­ge­ne Wär­me­strah­lung, sodass unter­schied­li­che Tei­le sei­ner bestrahl­ten Atmo­sphä­re für das Tele­skop sicht­bar wer­den. Auf die­se Wei­se konn­te das Team die Bedin­gun­gen und die che­mi­sche Zusam­men­set­zung der Tag- und Nacht­sei­te des Pla­ne­ten ermitteln.

Die Astro­no­men nah­men auch Beob­ach­tun­gen auf, als der Pla­net vor sei­nem Stern vor­bei­zog. Wäh­rend die­ser Pha­se fil­tert ein Teil des Ster­nen­lichts durch den Rand der Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten und hin­ter­lässt spek­tra­le Fin­ger­ab­drü­cke, die sei­ne che­mi­sche Zusam­men­set­zung ver­ra­ten. Die­se Art der Mes­sung ist beson­ders emp­find­lich für den Über­gangs­be­reich, in dem sich Gase von der Tag- und Nacht­sei­te ver­mi­schen. „Das sich abzeich­nen­de Trans­mis­si­ons­spek­trum bestä­tig­te die mit den Emis­si­ons­da­ten gemach­ten Nach­wei­se von Sili­zi­um­mon­oxid, Koh­len­mon­oxid und Was­ser“, so Gapp. „Methan haben wir jedoch in der Über­gangs­zo­ne von der Tag- zur Nacht­sei­te nicht gefunden.“

Hintergrundinformationen

An die­ser Stu­die waren fol­gen­de Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler des MPIA betei­ligt: Tho­mas M. Evans-Soma (eben­falls Uni­ver­si­tät New­cast­le, Aus­tra­li­en), Cyril Gapp (eben­falls Uni­ver­si­tät Hei­del­berg), Eva-Maria Ahrer, Dun­can A. Chris­tie, Djem­ma Ruse­va (eben­falls Uni­ver­si­tät St. Andrews, Groß­bri­tan­ni­en) und Lau­ra Kreidberg.

Wei­te­re For­schen­de waren David K. Sing (Johns Hop­kins Uni­ver­si­ty, Bal­ti­more, USA), Joan­na K. Barstow (The Open Uni­ver­si­ty, Mil­ton Keynes, Groß­bri­tan­ni­en), Anja­li A. A. Piet­te (Uni­ver­si­tät Bir­ming­ham, Groß­bri­tan­ni­en und Car­ne­gie Insti­tu­ti­on for Sci­ence, Washing­ton, USA), Jake Tay­lor (Uni­ver­si­tät Oxford, Groß­bri­tan­ni­en) und Joshua D. Loth­rin­ger (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te, Bal­ti­more, USA und Utah Val­ley Uni­ver­si­ty, Orem, USA) sowie Jayesh M. Goy­al (Natio­nal Insti­tu­te of Sci­ence Edu­ca­ti­on and Rese­arch (NISER), Odi­sha, Indien).

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.

MN

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