07.03.2022

Exoplanet mit Metallwolken

Heißer Jupiter WASP-121 b zeigt einen exotischen Wasserkreislauf.

Heiße Jupiter sind jupiter­ähnliche Riesen­gasplaneten auf engen Bahnen um ihre Zentralsterne, die nur durch wenige Sterndurchmesser voneinander getrennt sind. Aufgrund ihrer Nähe heizt die Strahlung des Sterns den Planeten auf mehrere hundert bis einige tausend Grad Celsius auf. Von den fast 5000 bekannten Exoplaneten sind mehr als 300 solche heißen Jupiter. Mit Hilfe des Hubble-Weltraum­teleskops studierte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Thomas Mikal-Evans vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg die atmo­sphärischen Eigenschaften des heißen Jupiters WASP-121 b. Astro­nomen hatten diesen Exoplaneten 2015 im Sternbild Puppis in einer Entfernung von 855 Lichtjahren entdeckt. Seine Masse ist etwa zwanzig Prozent größer als die des Jupiters, während WASP-121 b einen fast doppelt so großen Durchmesser hat.

Abb.: Illustration des Exoplaneten WASP-121 b. Der „heiße Jupiter“...
Abb.: Illustration des Exoplaneten WASP-121 b. Der „heiße Jupiter“ befindet sich aufgrund seiner Nähe zum Zentralstern in einer gebundenen Rotation. (Bild: P. Klein, MPIA)

„Trotz der Entdeckung von Tausenden von Exoplaneten konnten wir bisher nur die Atmo­sphären eines kleinen Teils der Planeten untersuchen, da die Beobach­tungen sehr schwierig sind“, erklärt Mikal-Evans. „Bisher haben die meisten dieser Messungen nur begrenzte Informationen geliefert, wie etwa grund­legende Details über die chemische Zusammensetzung oder die durch­schnittliche Temperatur in bestimmten Unter­regionen der Atmosphäre.“ Die neuen Beobachtungen ermöglichten den Astronomen den bisher detailliertesten Einblick in die Bedingungen auf der Nachtseite eines Exoplaneten. Wie bei allen heißen Jupitern ist die Rotation von WASP-121 b durch Gezeiten­kräfte an seine Umlaufbahn um seinen Mutterstern gebunden. Eine 30-stündige Umrundung des Sterns benötigt daher die gleiche Zeit, die der Planet braucht, um sich einmal um seine Achse zu drehen. Folglich ist die dem Stern zugewandte Hemi­sphäre immer der glühend heißen Oberfläche des Sterns ausgesetzt. Gleichzeitig weist die kühlere Nachtseite ständig in den kalten und dunklen Weltraum. Durch die Zusammenführung der Daten von beiden Seiten ergibt die Auswertung des Teams erstmals ein umfassendes Bild davon, wie die Atmosphäre eines Exo­planeten als globales System funktioniert.

„Um die gesamte Oberfläche von WASP-121 b zu untersuchen, haben wir mit Hubble Spektren während zweier kompletter Planeten­umläufe aufgenommen“, sagt David Sing von der Johns Hopkins University in Baltimore. Mit dieser Technik und unterstützt durch die Modellierung der Daten hat die Gruppe die obere Atmosphäre von WASP-121 b über den gesamten Planeten hinweg untersucht und dabei zum ersten Mal den kompletten Wasser­kreislauf eines Exoplaneten beobachtet. Die neuen Hubble-Daten offenbaren einen Wasser­kreislauf auf WASP-121 b, der völlig anders aussieht als auf der Erde. Auf der Seite des Planeten, die dem Zentralstern zugewandt ist, wird die obere Atmosphäre bis zu 3000 Grad Celsius heiß. Bei solchen Temperaturen beginnt das Wasser zu glühen, und viele der Moleküle zerfallen sogar in ihre atomaren Bestandteile. Die Hubble-Daten zeigen auch, dass die Temperatur auf der Nachtseite um etwa 1500 Grad Celsius sinkt.

Dieser extreme Temperatur­unterschied zwischen den beiden Hemisphären führt zu starken Winden, die den gesamten Planeten von Westen nach Osten umwehen und die aufgebrochenen Wasser­moleküle mitreißen. Schließlich erreichen sie die Nachtseite. Die niedrigeren Temperaturen ermöglichen es den Wasserstoff- und Sauerstoff­atomen, sich wieder zu verbinden und Wasserdampf zu bilden, bevor sie wieder auf die Tagseite geweht werden und der Zyklus sich wiederholt. Die Temperaturen sinken nie so weit ab, dass sich während des gesamten Zyklus Wasser­wolken bilden können, geschweige denn Regen. Anstelle von Wasser bestehen die Wolken auf WASP-121 b hauptsächlich aus Metallen wie Eisen, Magnesium, Chrom und Vanadium. Frühere Beobachtungen haben die spektralen Signale dieser Metalle als Gase auf der heißen Tagseite nachgewiesen. Die neuen Hubble-Daten deuten darauf hin, dass die Temperaturen tief genug sinken, damit die Metalle auf der Nachtseite zu Wolken konden­sieren können. Die gleichen ostwärts gerichteten Winde, die den Wasserdampf über die Nachtseite tragen, würden auch diese Metallwolken zurück auf die Tagseite blasen, wo sie erneut verdampfen.

Seltsamer­weise waren Aluminium und Titan nicht unter den Gasen, die in der Atmosphäre von WASP-121 b nachgewiesen wurden. Eine wahr­scheinliche Erklärung dafür ist, dass diese Metalle kondensiert und in tiefere Schichten der Atmosphäre geregnet sind, die für Beobach­tungen nicht zugänglich sind. Dieser Regen wäre mit keinem anderen im Sonnensystem bekannten Regen vergleichbar. So kondensiert beispiels­weise Aluminium mit Sauerstoff und bildet die Verbindung Korund. Mit Verunreinigungen aus Chrom, Eisen, Titan oder Vanadium ist er uns als Rubin oder Saphir bekannt. Auf der Nachtseite von WASP-121 b könnte es also flüssige Edelsteine regnen.

„Es ist aufregend, Planeten wie WASP-121 b zu untersuchen, die sich sehr von denen in unserem Sonnensystem unterscheiden, denn sie ermöglichen es uns zu lernen, wie sich Atmo­sphären unter extremen Bedin­gungen verhalten“, sagt Joanna Barstow von der Open University in Milton Keynes. Mikal-Evans fügt hinzu: „Um diesen Planeten besser zu verstehen, werden wir ihn mit dem James-Webb-Weltraum­teleskop innerhalb des ersten Jahres seines Betriebs beobachten.“ Durch das Einbeziehen von Wellenlängen, die über die Reichweite von Hubble hinausgehen, kann das Team die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre bestimmen, was Aufschluss darüber geben könnte, wie und wo WASP-121 b in der proto­planetaren Scheibe entstanden ist. Die Messungen werden sogar genau genug sein, um etwas über die Windgeschwin­digkeiten in verschiedenen Höhen innerhalb der Atmosphäre zu erfahren.

MPIA / JOL

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