Blick in die Atmosphäre eines Exoplaneten
Detailreiches Spektrum erlaubt Rückschlüsse auf die Entstehung von Riesenplanten.
Mehr als 800 Exoplaneten haben Astronomen inzwischen entdeckt, die überwiegende Mehrheit davon mithilfe indirekter Methoden. Für eine direkte Abbildung eignen sich besonders sehr junge Sterne, bei denen die frisch entstandenen Planeten noch heißer sind und sich deshalb insbesondere im Infrarotbereich leichter von ihren Zentralsternen abheben. Ein Beispiel ist der erst dreißig Millionen Jahre alte, 130 Lichtjahre entfernte Stern HR 8799. Beobachtungen im nahen Infrarotbereich zeigten 2008 und 2010 insgesamt vier Planeten mit jeweils der fünf- bis zehnfachen Masse des Jupiter und Bahnradien von 15 bis 68 Astronomischen Einheiten. Erste spektrale Untersuchungen 2010 und 2011 zeigten überraschende Abweichungen von den theoretischen Modellen für junge Riesenplaneten. So waren die Spektren deutlich stärker gerötet, außerdem fehlte die erwartete starke Absorption durch Methan.
Abb. 1: Infrarot-Aufnahme des jungen Planetensystems um den Stern HR 8799. Die vier großen Gasplaneten sind markiert. Konopacky und ihre Kollegen haben den Planeten HR 8799 spektroskopisch untersucht. (Bild: RC-HIA / C. Marois, Keck Obs.)
Quinn Konopacky von der University of Toronto und ihren Kollegen gelang es, mit dem Keck-II-Teleskop, adaptiver Optik und dem OH-Suppressing Infrared Integral Field Spektrograph OSIRIS das bislang detailreichste Spektrum des Planeten HR 8799c zu gewinnen. Die Forscher konnten in dem Spektrum zahlreiche gut aufgelöste Linien von Wasser und Kohlenmonoxid identifizieren. Von Methan dagegen fand sich wiederum keine Spur. Außerdem, so Konopacky und ihr Team, „deuten die Spektrallinien darauf hin, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff in der Planetenatmosphäre größer ist als bei dem Zentralstern.“
Die Rötung des Spektrums von HR 8799c lassen sich nach Ansicht der Wissenschaftler am besten durch eisen- und silikathaltige Wolken erklären. Und in der Abwesenheit von Methan sehen Konopacky und ihre Kollegen ein Indiz für eine starke vertikale Durchmischung der Atmosphäre – das Methan wird dadurch schneller verdünnt, als es in der oberen Atmosphäre entsteht.
Abb. 2: In dieser Darstellung des jungen Planetensystems um den Stern HR 8799 ist der Planet HR 8799c im Vordergrund, dessen Atmosphäre Konopacky und ihre Kollegen untersucht haben. (Bild: U. Toronto / Mediafarm)
Eine besondere Bedeutung messen die Forscher dem erhöhten Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis bei: Es sei ein Hinweis auf die Entstehungsgeschichte des Planeten. Bislang konkurrieren zwei Theorien miteinander: Im Modell der Gravitations-Instabilität bilden sich Kern und Atmosphäre gemeinsam aus einem sich verdichtenden und kollabierenden Teil der protoplanetarischen Scheibe, die einen jungen Stern umgibt. Im Kern-Akkretions-Modell dagegen bildet sich zunächst ein fester Kern aus Eis und Gestein, der dann das Gas aus der Umgebung anzieht. Dieses Gas enthält bereits weniger Wasser und damit auch weniger Sauerstoff. Konopacky und ihre Kollegen sehen das erhöhte Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis daher als Indiz für eine Entstehung des Planeten über den Kern-Akkretions-Prozess.
Rainer Kayser
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