Eisen in Exoplaneten-Atmosphäre

Forscher der Univer­sitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exo­planeten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astro­nomen Kevin Heng theo­retisch voraus­gesagt und konnte nun von Genfern Astro­nomen bestätigt werden.

KELT-9 ist ein Stern, der sich 650 Lichtjahre von der Erde entfernt im Stern­bild Cygnus (Schwan) befindet. Mit einer Temperatur von über 10.000 °C ist er fast doppelt so heiß wie die Sonne. KELT-9 wird von einem riesigen Gasplaneten, KELT-9b, umkreist, der seinem Zentral­stern 30 Mal näher ist als die Erde der Sonne. Aufgrund dieser Nähe umkreist der Exoplanet seinen Stern in 36 Stunden, und er wird auf eine Tem­peratur von über 4.000 °C erhitzt. Wie die Atmo­sphäre eines solchen „Heißen Jupiters" aussehen könnte, und wie sie sich unter solchen Bedin­gungen entwickeln konnte, war bislang unbekannt. Nun konnte das Team aus Genf und Bern mit einer Simu­lation Eisen- und Titan­atome in der Atmosphäre von KELT-9b nach­weisen.

Um die Atmo­sphäre des Exo­planeten KELT-9b zu simulieren haben Forscher der Universität Bern, die Teil des Nationalen Forschungs­schwerpunktes PlanetS sind, kürzlich eine Studie durchgeführt. „Die Ergebnisse dieser Simu­lationen zeigten, dass die meisten Moleküle in der Atmo­sphäre von KELT-9b in atomarer Form vorliegen sollten“, erklärt Kevin Heng, Direktor und Professor am Center for Space and Habitabilty (CSH) an der Universität Bern. „Denn bei den extrem hohen Tempera­turen auf KELT-9b finden Kollisionen zwischen den Teilchen statt, die die Bindungen zwischen den Molekülen aufbrechen und die dabei ent­stehenden Atome sogar teilweise ionisieren“, sagt Daniel Kitzmann vom CSH. Die Simu­lationen des Berner Teams sagten auch voraus, dass es möglich sein sollte, gasförmiges atomares Eisen in der Atmo­sphäre des Planeten KELT-9b mit Hilfe von Teleskopen zu beobachten.

Gleichzeitig zu den Unter­suchungen des Berner Teams beobach­teten Forscher der Univer­sität Genf den Planeten KELT-9b während eines Transits vor seinem Zentral­stern KELT-9. Ein winziger Bruchteil des Lichts des Sterns KELT-9 wird während dieses Transits durch die Atmo­sphäre des Planeten KELT-9b gefiltert. Wird nun dieses gefil­terte Licht analysiert, können daraus Schlüsse gezogen werden auf die chemische Zusammen­setzung der Atmo­sphäre des Planeten KELT-9b. Dies ist möglich dank des HARPS-Nord-Spektro­graphen auf La Palma, der in Genf gebaut worden war.

Wie von Hengs Team vorhergesagt, hinter­lassen Eisenatome, falls sie in der Atmosphäre von KELT-9b vorhanden sind, einen gut erkenn­baren Finger­abdruck im Spektrum Die Forscher entdeckten ein starkes Signal, das demjenigen von Eisen­dampf entspricht. „Mit den theo­retischen Vorher­sagen von Hengs Team brauchten wir nur noch einer Art Schatzkarte zu folgen“, sagt Jens Hoeij­makers. Neben den Atomen wiesen die Forscher in der Atmo­sphäre von KELT-9b außerdem auch Titan in ionisierter Form nach.

Bisher wurde ange­nommen, dass viele Exo­planeten, die sich in einer ähnlichen Umgebung wie KELT-9b befanden, vollständig verdampft sind. „KELT-9b ist wahrscheinlich massiv genug, um der totalen Verdunstung zu widerstehen“, sagt Hoeijmakers. Die Ergebnisse zeigen auch den starken Einfluss der Sternen­strahlung auf die Zusammen­setzung der Atmo­sphäre von Exo­planeten. Die Beobach­tungen bestätigen, dass die hohen Tempera­turen die meisten Moleküle in ihre Atome aufspalten, also auch die Moleküle, die Eisen oder Titan enthalten. Bei kühleren Exoplaneten werden Eisen- oder Titan-Atome in gasförmigen Oxiden oder in kondensierter Form als Staub­partikel vermutet, wo sie schwer zu erkennen sind. Einig sind sich die Forscher, dass KELT-9b ein einzigartiges Labor ist, um zu analysieren, wie sich Atmo­sphären von Planeten unter intensiver Sternen­strahlung entwickeln können.

U. Bern / JOL