Webb entdeckt neue Details in der Atmosphäre des Exoplaneten WASP-121 b

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Astronominnen und Astronomen haben deutliche Unterschiede in den atmosphärischen Bedingungen zwischen den morgendlichen und abendlichen Übergangszonen des ultraheißen Gasplaneten WASP-121 b nachgewiesen. Diese Zonen trennen Tag und Nacht und werden im Fachjargon als Terminatoren bezeichnet. Dieser Erfolg war nur dank der unerreichten Empfindlichkeit des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) möglich. Ein Team von Forschenden unter der Leitung von Cyril Gapp, Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, wies dieses Phänomen nach, das zuvor durch theoretische Berechnungen vorhergesagt worden war.

Hot Jupiter WASP-121 b — Künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-121 b. Er gehört zur Klasse der heißen Jupiter. Aufgrund der Nähe zu seinem Zentralstern ist die Rotation des Planeten an seinen Umlauf um den Stern gebunden (gebundene Rotation). Infolgedessen ist eine der Hemisphären von WASP-121 b immer dem Stern zugewandt und heizt sich auf Temperaturen von bis zu 2.500 Grad Celsius auf. Die Nachtseite ist ständig dem kalten Weltraum zugewandt, weshalb es dort um 1.775 Grad Celsius kühler ist. © Patricia Klein und MPIA

Bestätigung von Unterschieden zwischen Abend- und Morgendämmerung

Die Entdeckung basiert auf einer Asymmetrie bei der Absorption des Infrarotlichts des Zentralsterns, das während des Transits des Planeten teilweise durch dessen Atmosphäre gefiltert wird. Die Forschenden interpretieren dies als Folge ungleichmäßiger Temperaturen und chemischer Zusammensetzungen in der Atmosphäre des Exoplaneten.

„Mit seiner beispiellosen Beobachtungsqualität gewährt uns das JWST die bisher detailliertesten Einblicke in ferne Planeten: Indem wir messen, wie sich die Absorption des Sternenlichts während der Rotation von WASP-121 b verändert, tasten wir seine Atmosphäre Längengrad für Längengrad ab.“, sagt Cyril Gapp vom Max-Planck-Institut für Astronomie.

Die Daten deuten darauf hin, dass die Abendseite mehr Licht absorbiert als die Morgenseite. Dies deckt sich mit der allgemein akzeptierten Vorstellung von starken Winden, die heiße Gase von der Tag- auf die Nachtseite transportieren. Die heißen Winde folgen der Rotation des Planeten nach Osten und heizen dadurch die Abendzone auf. Mit steigenden Temperaturen dehnt sich diese Region unweigerlich aus, wodurch sich der Querschnitt des Planeten vergrößert und er die Sternstrahlung effizienter absorbieren kann.

Neben einer allgemeinen, leichten Verringerung der Helligkeit gegen Ende des Transits zeigen die Daten des NIRSpec-Instruments (Near-infrared spectrograph) des JWST auch einen Anstieg des Kohlenmonoxid-Signals (CO). Dies scheint jedoch ein Temperatureffekt zu sein und steht nicht im Zusammenhang mit einer Zunahme der Anzahl der Kohlenmonoxidmoleküle.

Im Gegensatz dazu gibt es Anzeichen dafür, dass die Menge an Wasser (H₂O) in der Atmosphäre sinkt, was die Astronominnen und Astronomen als eine reale Abnahme von Wassermolekülen interpretieren. Die Temperaturen in der oberen Atmosphäre sind hoch genug, um Wassermoleküle in ihre Bestandteile zu zerlegen. Dieses Ergebnis untermauert erneut die Existenz heißer Winde, die die Region des Abendterminators aufheizen.

Zwei extreme Seiten eines ultraheißen Planeten

Um diese winzigen Veränderungen zu erfassen, machten sich die Astronominnen und Astronomen ein besonderes Verhalten heißer Gasplaneten zunutze. Die Nähe zu ihren Heimatsternen synchronisiert durch Gezeitenkräfte im Laufe der Zeit ihre Eigenrotation und ihre Umlaufbewegung, sodass eine Rotation schließlich genau so lange dauert wie ein Umlauf. Letztlich weisen diese Planeten zwei völlig unterschiedliche Hemisphären auf: eine heiße, die ständig dem Stern zugewandt ist, und eine gegenüberliegende, dunklere und kühlere Seite.

Umlaufbahn Exoplanet — Draufsicht auf die Umlaufbahn des Exoplaneten WASP-121 b um seinen Stern. Die Rotation des Planeten ist mit seiner Umlaufbahn synchronisiert, wobei beide Vorgänge etwa 30 Stunden dauern. Infolgedessen zeigt der Planet dem Stern ständig dieselbe Seite, was zu ausgeprägten Tag- und Nachtseiten führt. Die Übergangszonen zwischen diesen Hemisphären sind die Morgen- und Abendregionen. Aufgrund der Nähe des Planeten zu seinem Zentralstern von nur 1,9 Sterndurchmessern rotiert der Planet während seines Transits um etwa 30 Grad. – Credit: MPIA (CC BY 4.0)

„WASP-121b ist besonders extrem: Die Durchschnittstemperaturen auf der Tagseite liegen bei etwa 2.770 Kelvin, während sie auf der Nachtseite eher bei etwa 1000 Kelvin liegen“, erklärt Co-Autor Tom Evans-Soma von der Universität Newcastle, Australien, der zuvor den Temperaturbereich des Planeten bestimmt hat und ebenfalls dem MPIA angehört. Diese Werte entsprechen fast 2.500 Grad Celsius auf der Tagseite und ungefähr 725 Grad Celsius in der Nacht.

Während der Beobachtung des Transits eines solchen Planeten vor seinem Stern rotiert der Planet zwischen dem Beginn und dem Ende des Vorbeizugs ein Stück weiter und gibt dabei unterschiedliche Teile seiner Atmosphäre preis. Während der Planet meist seine Nachtseite zeigt, ermöglicht unsere Perspektive, je nach Fortschritt des Transits, einen Blick über die Morgen- und Abenddämmerung hinaus in Richtung der hellen Tagseite. Die Zone, die sich in Bewegungsrichtung des Planeten befindet, entspricht der Morgenseite. Die nachfolgende Zone ist die Abendseite.

Neben der Aufzeichnung der gemessenen Helligkeitsänderungen im Laufe der Zeit zerlegen Spektrografen das Licht in kleinere Komponenten – was in der Physik als Spektrum bezeichnet wird –, ähnlich wie ein Prisma eine regenbogenartige Farbverteilung erzeugt. Da atmosphärische Gase Licht bei ganz bestimmten Farben oder Wellenlängen absorbieren, verrät eine detaillierte Analyse deren chemische Zusammensetzung.

Vom zeitlichen Verlauf zur geografischen Länge

Die Veränderung entlang der Rotationsrichtung spiegelt sich somit in einer zeitabhängigen Änderung des gefilterten Signals wider. Im Fall von WASP-121 b beträgt der Rotationswinkel während eines vollständigen Transits etwa 30 Grad. Das reicht aus, um den Morgen- und den Abendterminator mit hoher Präzision entlang unterschiedlicher Längengrade zu untersuchen.

Normalerweise mitteln Astronominnen und Astronomen die Messungen über den gesamten Transit, um ein klareres Signal zu erhalten. Um jedoch zu bestimmen, wie sich das Licht während der Bewegung des Planeten vor dem Stern verändert, ließen Gapp und seine Kollegen eine zeitliche Variation während der Planetenrotation zu. Durch den Einsatz statistischer Methoden stellten sie fest, dass ihr Verfahren die Daten deutlich besser beschreibt. Dies zeigt, dass sie tatsächlich eine signifikante Variation nachgewiesen haben.

Merkliche Lücken in den Atmosphärenmodellen

Um die gemessenen Temperaturen zu bestätigen, die eine lokale Ausdehnung verursachen würden, wandten die Forschenden mathematische Modelle der physikalischen Bedingungen an. Diese simulierten die Wärmeverteilung in den oberen Schichten eines Gasplaneten in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Planeten sowie von der Konstellation zwischen Planet und Heimatstern. Während diese Atmosphärenmodelle die Temperaturunterschiede bestätigten, wiesen die Daten eine größere Signalamplitude auf, als die Modelle vorhergesagt hatten.

Die Astronominnen und Astronomen vermuteten, dass am Morgenterminator Kühlmechanismen am Werk sein könnten, die in den Modellen nicht berücksichtigt wurden. Frühere Studien haben darauf hingewiesen, dass es Wolken geben könnte, die jedoch nicht aus Wassertröpfchen, sondern aus Mineralien wie Silikaten bestehen. Wolken können Infrarotlicht aus den darunterliegenden heißen Gasschichten effizient abschirmen und dadurch niedrigere Temperaturen vortäuschen. Bekanntermaßen ist die Simulation der Physik von Wolken, Kondensation und Verdampfung in einer dynamischen Umgebung extrem schwierig. Daher berücksichtigen die üblicherweise auf Exoplanetenatmosphären angewandten physikalischen Modelle, wie auch in dieser Studie, keine Wolken, was zu unrealistischen Ergebnissen führen kann.

Nachdem die Simulation so angepasst wurde, dass sie den Effekt von Wolken auf die Infrarotstrahlung aus tieferen Schichten näherungsweise nachahmt, stimmten die Ergebnisse besser mit den Beobachtungen überein. Dennoch werden erst komplexere Modelle in der Lage sein, das Vorhandensein von Wolken zuverlässig zu bestätigen.

Ein Konzept für zukünftige Studien

Zukünftige Untersuchungen mit dieser Methode werden von den verbesserten Modellen profitieren. Die Astronominnen und Astronomen haben bereits weitere geeignete Ziele im erforderlichen Temperaturbereich und mit der passenden Rotationsgeschwindigkeit ins Auge gefasst, um deren Terminatorregionen erfolgreich zu untersuchen. Dies wird ihnen helfen, eine Stichprobe ultraheißer Gasplaneten aufzubauen, deren Struktur entlang der Rotationsrichtung zu entschlüsseln und potenziell Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede zwischen diesen extremen Welten zu entdecken.

Hintergrundinformationen

Am MPIA an dieser Studie beteiligte Astronominnen und Astronomen waren Cyril Gapp (auch Universität Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (auch Universität Newcastle, Australien) und Eva-Maria Ahrer.

Weitere beteiligte Forschende waren: Aurélien Falco (Sorbonne Université, Paris, Frankreich), David K. Sing (Johns Hopkins University, Baltimore, USA), Shashank Dholakia (University of Queensland, St. Lucia, Australien), Vivien Parmentier (Université de la Côte d’Azur, Nizza, Frankreich), Jérémy Leconte (Université Bordeaux, Frankreich) und Guangwei Fu (Johns Hopkins University).

Die in dieser Studie verwendeten JWST-Beobachtungen wurden im Rahmen des GO-Programms #1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) mit dem Titel „A NIRSpec Phase Curve for the ultrahot Jupiter WASP-121b“ sowie des GTO-Programms #1201 (PI: David Lafreniere) unter der Bezeichnung „NIRISS Exploration of the Atmospheric diversity of Transiting exoplanets (NEAT)“ durchgeführt.

NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) wurde von der europäischen Industrie nach den Spezifikationen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gebaut und vom ESA-JWST-Projekt am ESTEC (European Space Research and Technology Centre) in den Niederlanden verwaltet. Der Hauptauftragnehmer war Airbus Defence and Space in Ottobrunn, Deutschland. Das MPIA trug zur Entwicklung und Herstellung der Filter- und Gitterräder von NIRSpec bei. Die Subsysteme des NIRSpec-Detektors und des Mikroverschlusssystems (Micro-shutter array) wurden vom Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA zur Verfügung gestellt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. Es ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA sowie ihrer Partner ESA und CSA (Canadian Space Agency).

Link zur Pressemitteilung des MPIA