Besitzt der Gesteinsplanet 55 Cancri e eine Atmosphäre?

55 Cancri e ist einer von fünf bekannten Planeten, die den sonnenähnlichen Stern 55 Cancri umkreisen. Mit einem Durchmesser, der fast doppelt so groß ist wie jener der Erde, und einer geringfügig höheren Dichte wird der Planet als Supererde eingestuft: grösser als die Erde, kleiner als Neptun und in der Zusammensetzung ähnlich wie die Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem. „55 Cancri e ist einer der rätselhaftesten Exoplaneten“, sagt Brice Olivier Demory von der Uni Bern. „Trotz enormer Beobachtungszeit in den letzten zehn Jahres mit einem Dutzend Boden- und Weltrauminstrumenten blieben seine Eigenschaften unbekannt. Das änderte sich nun mit der Auswertung von Daten, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskops JWST gewonnen wurden.“ Unerwarteterweise zeigen diese Beobachtungen, dass ein heißer und starker Strahlung ausgesetzter Gesteinsplanet eine Gasatmosphäre besitzen könnte.

Demory hat 55 Cancri e seit langem untersucht. Er leitete am MIT die Entdeckung des ersten Transits von 55 Cancri e und veröffentlichte 2016 mit seinem Team die erste Karte des felsigen Exoplaneten. Das damalige Ergebnis deutete bereits auf das mögliche Vorhandensein einer Atmosphäre um 55 Cancri e hin. Für die aktuelle Studie führte Demory eine unabhängige Analyse des Datensatzes durch. „In den vergangenen zwei Jahren hat das Weltraumteleskop Cheops, das an der Universität Bern entwickelt und gebaut wurde, entscheidend dazu beigetragen, mehrere Fragen zu 55 Cancri e zu beantworten“, so der Forscher. „Das JWST ergänzt dieses Bild bei Infrarot-Wellenlängen und zeigt, dass die Super-Erde 55 Cancri e von einer Atmosphäre umgeben ist, deren Zusammensetzung mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid übereinstimmt.“

Obwohl 55 Cancri e in seiner Zusammensetzung den Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem ähnelt, könnte die Bezeichnung „felsig“ einen falschen Eindruck vermitteln. Der Planet kreist so nahe um seinen Stern, dass seine Oberfläche geschmolzen sein muss und ein tiefer, brodelnder Ozean aus Magma ist. „Der Planet ist so heiß, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampfen sollte“, erklärt Renyu Hu vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa. Bei einer so engen Umlaufbahn um seinen Stern ist der Planet wahrscheinlich auch gezeitenabhängig. Das bedeutet, dass seine Tagseite immer dem Stern zugewandt ist und seine Nachtseite in ständiger Dunkelheit liegt.

Obwohl das JWST kein direktes Bild von 55 Cancri e einfangen kann, ist es in der Lage, subtile Veränderungen im Licht des Systems zu messen, wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht. Das Team verwendete die Nahinfrarotkamera und das Mittelinfrarotinstrument vom JWST, um das vom Planeten kommende Infrarotlicht zu messen. Durch Subtraktion der Helligkeit während der sekundären Finsternis, wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet, von der Helligkeit, wenn sich der Planet direkt neben dem Stern befindet, konnte das Team die Menge an Infrarotlicht verschiedener Wellenlängen berechnen, das von der Tagseite des Planeten stammt.

Der erste Hinweis darauf, dass 55 Cancri e eine nennenswerte Atmosphäre besitzen könnte, ergab sich aus Temperaturmessungen, die auf der thermischen Emission, also der in Form von Infrarotlicht abgegebenen Wärmeenergie, basieren. Wenn der Planet mit einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein oder gar keiner Atmosphäre bedeckt wäre, müsste die Temperatur auf der Tagseite etwa 2200 Grad Celsius betragen. „Stattdessen zeigten die Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 1500 Grad Celsius“, so Hu. „Das ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Energie von der Tagseite des Planeten auf die Nachtseite übertragen wird, höchstwahrscheinlich durch eine Atmosphäre mit vielen flüchtigen Bestandteilen.“

Lavaströme könnten zwar etwas Wärme auf die Nachtseite transportieren, aber nicht effizient genug, um die Temperaturdifferenz zu erklären. Selbst wenn die Wärme gleichmäßig über den Planeten verteilt wäre, erscheint die Tagseite um mehrere hundert Grad kühler als erwartet. Dies kann damit erklärt werden, dass ein Teil des von der Oberfläche abgestrahlten Infrarotlichts von der Atmosphäre absorbiert wird, bevor es von Teleskopen gemessen werden kann.

Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Cancri e bedecken, aus dem Inneren des Planeten heraussprudeln. Die primäre Atmosphäre wäre aufgrund der hohen Temperatur und der intensiven Strahlung des Sterns längst verschwunden. Es würde sich also um eine sekundäre Atmosphäre handeln, die durch den Magmaozean ständig gespeist wird, da Magma nicht nur aus Kristallen und flüssigem Gestein besteht, sondern auch eine Menge gelöstes Gas enthält.

Obwohl 55 Cancri e viel zu heiß ist, um habitabel zu sein, könnte er ein einzigartiges Fenster für die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Atmosphären, Oberflächen und dem Inneren von Gesteinsplaneten bieten und vielleicht auch Einblicke in die frühe Erde sowie in Venus und Mars ermöglichen, von denen man annimmt, dass sie von Magma-Ozeanen bedeckt waren. „Letztendlich wollen wir verstehen, welche Bedingungen es einem Gesteinsplaneten ermöglichen, eine gasreiche Atmosphäre aufrechtzuerhalten, die wichtigste Zutat für einen bewohnbaren Planeten“, betont Hu.

U. Bern / RK