Dünne Atmosphäre eines Exoplanetens

Ein Team europäischer Astronominnen und Astronomen mit Beteiligung des Max-Planck-Institut für Astronomie MPIA hat kürzlich Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope (JWST) verwendet, um die Atmosphäre des nahegelegenen Exoplaneten WASP-107b zu untersuchen. Beim Durchleuchten seiner wolkigen Atmosphäre entdeckten sie Wasserdampf, Schwefeldioxid und sogar Silikatsandwolken. Diese Partikel befinden sich in einer dynamischen Atmosphäre mit einem energischen Materialtransport.

Der Exoplanet WASP-107b ist ein einzigartiger Gasplanet. Er umkreist einen Stern, der etwas kühler und weniger massereich ist als unsere Sonne. Während die Masse des Planeten der des Neptun ähnelt, misst sein Durchmesser deutlich größere Werte und nähert sich fast der des Jupiter an. Diese Eigenschaft macht WASP-107b im Vergleich zu den Gasplaneten des Sonnensystems eher „luftig“. Dadurch können Astronomen etwa fünfzig Mal tiefer in seine Atmosphäre blicken als bei der Erforschung eines Gasriesen im Sonnensystem wie Jupiter. Ein Team europäischer Forschenden nutzte während der Bebachtung mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST) die bemerkens­werte „Luftig­keit“ dieses Exoplaneten aus. 

Diese Gelegenheit eröffnete ein Fenster, um tief in seine Atmosphäre zu schauen und seine komplexe chemische Zusammensetzung zu aufzuschlüsseln. Die Signale oder spektralen Merkmale sind in einer weniger dichten Atmosphäre weitaus deutlicher zu erkennen als in einer kompakteren. Die jetzt in Nature veröffentlichte Studie berichtet über die Entdeckung von Wasserdampf, Schwefeldioxid und Silikatwolken, aber bemerkens­werterweise gibt es keine Spur des Treibhausgases Methan. Diese Ergebnisse liefern entscheidende Einblicke in die Dynamik und Chemie dieses faszinierenden Exoplaneten. 

Erstens lässt das Fehlen von Methan auf ein potenziell warmes Inneres schließen und bietet einen bestechenden Einblick in den Transport von Wärmeenergie in der Atmosphäre des Planeten. Zweitens war die Entdeckung von Schwefeldioxid eine große Überraschung. Frühere Berechnungen deuteten nicht darauf hin, aber neuartige Klimamodelle der Atmosphäre von WASP-107b zeigen nun, dass seine diffuse Eigenschaft die Bildung von Schwefeldioxid ermöglicht. Obwohl sein recht kühler Wirtsstern nur einen vergleichsweise kleinen Anteil an hochenergetischen Photonen aussendet, können diese tief in die Atmosphäre des Planeten eindringen. Dieser Umstand ermöglicht die chemischen Reaktionen, die zur Produktion von Schwefel­dioxid erforderlich sind.

Die spektralen Merkmale von Schwefeldioxid und Wasserdampf sind im Vergleich zu einem wolkenlosen Szenario erheblich vermindert. Hoch gelegene Wolken verdecken dagegen teilweise den Wasserdampf und das Schwefel­dioxid in der Atmosphäre. Während Astronomen bei anderen Exoplaneten auf indirektem Wege auf Wolken aus verschiedenen Substanzen schließen konnten, ist dies der erste Fall, in dem Forschende die chemische Zusammensetzung dieser Wolken definitiv bestimmen können. In diesem Fall bestehen die Wolken aus kleinen Silikat­partikeln, einer vertrauten Substanz, die auf der Erde fast überall als Haupt­bestandteil von Sand vorkommt.

„Das JWST revolutioniert die Charakterisierung von Exoplaneten und liefert beispiellose Einblicke in bemerkenswerter Geschwindig­keit“, sagt die Leen Decin von der KU Leuven. „Die Entdeckung von Sandwolken, Wasser und Schwefeldioxid auf diesem luftigen Exoplaneten mit JWSTs MIRI ist ein entscheidender Meilenstein. Das verändert unser Verständnis der Planeten­entstehung und -entwicklung und wirft ein neues Licht auf das Sonnensystem.“ Paul Mollière vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland, stimmt zu: „Der Wert des JWST ist nicht zu unterschätzen: Egal wohin wir mit diesem Teleskop schauen, sehen wir immer etwas Neues und Unerwartetes. Auch dieses neueste Ergebnis ist keine Ausnahme.“

Im Gegensatz zur Atmosphäre der Erde, wo Wasser bei niedrigen Temperaturen gefriert, können in Gasplaneten Silikatpartikel kondensieren und Wolken bilden, wenn die Temperaturen etwa eintausend Grad Celsius erreichen. Bei WASP-107b, wo die äußere Atmosphäre Temperaturen von etwa 500 Grad Celsius erreicht, sagten bisherige Modelle voraus, dass diese Silikatwolken tiefer in der Atmosphäre entstehen sollten, wo die Temperaturen wesentlich höher sind. Darüber hinaus regnen hoch­gelegene Sandwolken in tiefere Schichten ab. „Die Tatsache, dass wir diese Sandwolken hoch in der Atmosphäre sehen, verrät uns, dass die Sandregentropfen in tieferen, sehr heißen Schichten verdampfen. Der resultierende Silikatdampf wird anschließend effizient nach oben transportiert“, erklärt Michiel Min von SRON (Niederländisches Institut für Weltraumforschung). „Hier kondensieren sie dann wieder zu Silikatwolken. Dies ähnelt dem Wasser­dampf- und Wolkenzyklus der Erde, aber mit Sandtropfen.“ Dieser kontinuierliche Zyklus von Sublimation und Kondensation durch einen vertikalen Transport ist verantwortlich für das durchgängige Auftreten von Sandwolken in der Atmosphäre von WASP-107b.

Diese wegweisende Forschung wirft Licht auf die exotische Welt von WASP-107b und erweitert unsere Grenzen des Verständnisses von Exoplanete­natmosphären. Sie markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Erforschung von Exoplaneten und enthüllt das komplexe Zusammenspiel von Chemikalien und klimatischen Bedingungen auf diesen fernen Welten. „Wir am MPIA sind stolz darauf, wichtige Elemente für MIRI bereitgestellt zu haben“, sagt Thomas Henning, Co-Leiter des MIRI-Projekts und Direktor am MPIA. „Dazu gehören die Filterräder des Photometers und Spektro­meters von MIRI sowie die Mechanismen, die die Elemente positionieren, die die Spektren mit den chemischen Signaturen erzeugt haben.“ Mitarbeiter des MPIA haben zudem MIRIs Boden- und Flugtests unterstützt.

„Mit Kollegen in ganz Europa und den Vereinigten Staaten haben wir fast zwanzig Jahre lang das MIRI-Instrument gebaut und getestet. Es ist erfreulich zu sehen, wie unser Instrument die Atmosphäre dieses faszinierenden Exoplaneten enträtselt“, sagt Instrumenten­spezialist Bart Vandenbussche von der KU Leuven. Jeroen Bouwman, Wissenschaftler des MPIA und Mitverant­wortlicher für das Beobachtungs­programm fügt hinzu: „Diese Studie kombiniert die Ergebnisse mehrerer unabhängiger Analysen der JWST-Beobachtungen und steht stellvertretend für die Jahre der Arbeit, die nicht nur in den Bau des MIRI-Instruments investiert wurden, sondern auch in die Kalibrierung und Analysetools für die mit MIRI gewonnenen Beobachtungsdaten.“

MPIA / JOL