02.12.2010

Erste Analyse der Atmosphäre einer Supererde

Der 40 Lichtjahre entfernte, erdähnliche Exoplanet GJ 1214b ist in Wasserdampf oder Dunstschichten gehüllt - die genaue Zusammensetzung ist noch ungeklärt.

Der 40 Lichtjahre entfernte, erdähnliche Exoplanet GJ 1214b ist in Wasserdampf oder Dunstschichten gehüllt - die genaue Zusammensetzung ist noch ungeklärt.

Mit dem Very Large Telescope der ESO hat ein internationales Astronomenteam erstmals die Atmosphäre einer so genannten Supererde analysiert, also eines Exoplaneten mit nur wenigen Erdmassen. Der Planet mit der Bezeichnung GJ 1214b zieht auf seiner Umlaufbahn regelmäßig vor seinem Mutterstern vorbei. Dabei durchleuchtet ein kleiner Teil des Sternlichts auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre des Planeten. Dieses Licht hat man analysiert und herausgefunden, dass die Atmosphäre des Planeten entweder größtenteils aus Wasserdampf besteht oder aber von dichten Dunstschichten und Wolken dominiert wird.

Abb.: Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei. (Künstl. Darstellung, Bild: Paul A. Kempton)

Die Supererde GJ 1214b wurde 2009 mit dem HARPS-Stektrografen am 3,6 m-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO in Chile entdeckt. Schon bei der Entdeckung gab es Anzeichen dafür, dass der Planet eine Atmosphäre besitzt. Das Team von Astronomen unter der Führung von Jacob Bean vom Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics (USA) konnte jetzt nicht nur die Existenz der Atmosphäre bestätigen, sondern sie mithilfe des FORS-Instrumentes am Very Large Telescope der ESO auch näher untersuchen.

“GJ 1214 b ist die erste Supererde, deren Atmosphäre untersucht werden konnte. Damit haben wir einen echten Meilenstein auf dem Weg zur Charakterisierung dieser fernen Welten erreicht”, fasst Bean zusammen. GJ 1214b hat etwa den 2,6-fachen Durchmesser der Erde und rund 6,5 mal so viel Masse. Damit handelt es sich eindeutig um eine so genannte Supererde. Der Mutterstern GJ 1214 befindet sich in einer Entfernung von etwas mehr als 40 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Ophiuchus (der Schlangenträger). Es handelt sich um einen vergleichsweise leuchtschwachen und kleinen Stern. Insbesondere ist der Planet damit im Vergleich mit seinem Mutterstern relativ groß, was die Untersuchung des Planeten deutlich einfacher macht. Alle 38 Stunden läuft GJ 1214b von der Erde aus gesehen vor dem Stern vorüber. Die Entfernung zwischen Planet und Stern beträgt nur zwei Millionen Kilometer, entsprechend einem Siebzigstel des Abstands der Erde von der Sonne.

Um die Atmosphäre des Planeten zu untersuchen, beobachtete das Team den Stern in denjenigen Phasen seines Umlaufs, in denen er von der Erde aus gesehen vor dem vorbeizieht. Während eines solchen Transits durchläuft ein kleiner Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten. Je nach chemischer Zusammensetzung und Wetter werden dabei bestimmte Wellenlängen des Lichtes absorbiert. Die Wissenschaftler verglichen ihre Messungen anschließend mit den Vorhersagen von verschiedenen Modellen für die Planetenatmosphäre.

Vor den neuen Beobachtungen hatten die Theoretiker drei verschiedene Szenarien für die Atmosphäre von GJ 1214b entworfen. Das erste Modell geht von der faszinierenden Idee aus, dass der Planet von Wasser umgeben ist. Aufgrund der Nähe zum Stern müsste es allerdings in Form von Wasserdampf vorliegen. Die zweite Möglichkeit wäre, dass GJ 1214b ein Gesteinsplanet mit einer Atmosphäre ist, die zum größten Teil aus Wasserstoff besteht, bei der aber Wolken oder Dunstschichten in den oberen Regionen der Atmosphäre die Sicht behindern. Als letzte Option könnte GJ 1214b einer verkleinerten Version des Gasplaneten Neptun ähneln, der tief im Inneren seiner wasserstoffreichen Atmosphäre einen kleinen Gesteinskern besitzt.

Die neuen Messdaten zeigen keine Spur von Wasserstoff, so dass man das dritte Modell verwerfen kann. Die Atmosphäre des Planeten ist also entweder reich an Wasserdampf, oder sie liegt abgeschirmt unter Wolken und Dunst. Ähnliches beobachtet man im Sonnensystem bei der Venus oder dem Saturnmond Titan.

“Obwohl wir noch nicht genau sagen können, woraus die Atmosphäre von GJ 1214b besteht, sind wir einen wichtigen Schritt vorwärts gekommen, denn nun sind nur noch zwei der möglichen Szenarien übrig: Die Atmosphäre ist entweder dampfhaltig oder dunstig und bewölkt” ergänzt Bean. “Wichtig sind nun Anschlussbeobachtungen bei längeren Wellenlängen im Infrarotlicht, um zwischen den beiden verblieben Optionen unterscheiden zu können.”

Max-Planck-Institut für Astronomie / AL


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