04.09.2019

Heiß, groß und kaliumhaltig

Erstmals Kalium auf heißem Jupiter überzeugend nachgewiesen.

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Doktorand Engin Keles vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam entdeckte das chemische Element Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten erstmals mit hochauflösender Spektroskopie und mit überzeugend starkem Signal. Dazu nutzten die Forscher das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (Pepsi) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona zur Untersuchung der Atmosphäre auf dem jupiterähnlichen Exoplaneten HD189733b. 
 

Abb.: Künstlerische Darstellung eines heißen Jupiters (rechts) und seines...
Abb.: Künstlerische Darstellung eines heißen Jupiters (rechts) und seines kühlen Heimatsterns (Bild: AIP / K. Riebe)

Die chemischen Elemente Natrium und Kalium werden schon seit den frühesten theoretischen Vorhersagen vor zwanzig Jahren vor allem in der Atmosphäre von „heißen Jupitern“ erwartet, einige tausend Kelvin heißen Gasplaneten, die eng um ferne Sterne kreisen. Während Natrium schon früh auch in hochauflösenden Messungen gefunden werden konnte, war dies bei Kalium nicht der Fall, was der Atmosphärenchemie und -physik einige Rätsel aufgab.

Wolken in der Atmosphäre der heißen Jupiter können die Absorptionssignale stark abschwächen und damit den Nachweis der entsprechenden Elemente erschweren. Selbst für den bisher am besten untersuchten heißen Jupiter HD189733b gab es bisher nur sehr vage und ungenaue Kenntnisse zur Kalium­absorption in der Atmosphäre. Der 64 Lichtjahre entfernte, in etwa jupitergroße Exoplanet, umkreist seinen Heimatstern – einen Zwergstern mit 0,8 Sonnenmassen – dreißig mal näher als die Erde die Sonne und braucht dafür nur 53 Stunden. Erst mit der großen Lichtsammelfläche der zwei 8,4-Meter-Spiegel am LBT und den hohen spektralen Auflösungsmöglichkeiten von Pepsi gelang es nun zum ersten Mal, Kalium in den atmosphärischen Schichten über den Wolken definitiv nachzuweisen. Mit den neuen Messungen können Forscher nun die Absorptionssignale von Kalium und Natrium vergleichen und damit mehr über Kondensations- und Ionisations­prozesse in diesen Exoplaneten­atmosphären erfahren.

Die hierfür am LBT angewendete Technik heißt Transmissionsspektroskopie. Dazu ist es erforderlich, dass der Exoplanet vor seinem Heimatstern vorbeizieht. „Wir haben eine Zeitreihe von Licht­spektren während des Vorbeizugs des Planeten vor seinem Stern aufgenommen und die Absorptionstiefe verglichen“, erklärt der Hauptautor der Studie, Engin Keles, AIP-Doktorand in der Gruppe Sternphysik und Exoplaneten. „Während des Transits entdeckten wir dann die Kalium­signatur, die vor und nach dem Transit wie erwartet verschwand, was darauf hindeutet, dass die planetarische Atmosphäre die Absorption verursacht.“ 

Untersuchungen anderer Teams zielten bereits darauf ab, Kalium auf demselben Exoplaneten zu entdecken, jedoch wurde entweder nichts gefunden oder das Gefundene war zu schwach, um statistisch bedeutsam zu sein. Bisher gab es keinen signifikanten Nachweis von Kalium in hochauflösenden Beobachtungen von Exoplaneten. „Unsere Beobachtungen haben den Durchbruch geschafft“, betont Projekt-Mit­verantwortlicher Matthias Mallonn, dem Pepsi-Projektleiter Klaus Strassmeier zustimmt: „ Pepsi ist für diese Aufgabe gut geeignet, da es auf Grund seiner hohen spektralen Auflösung mehr Photonen pro Pixel aus sehr schmalen Spektrallinien sammeln kann als jede andere Teleskop-Spektrograph-Kombination.“ 

„Sowohl als Spektrograph als auch als Polarimeter hat Pepsi bereits bedeutende Beiträge zur Sternphysik geleistet“, ergänzt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums. „Dieser starke Nachweis von Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten etabliert Pepsi als erstaunliches Werkzeug zur Charakterisierung von Exoplaneten und als einzigartige Bereicherung für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft.“ Das Team, bestehend aus Kollegen aus Dänemark, den Niederlanden, der Schweiz, Italien und den USA, präsentiert seine Ergebnisse nun in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Leibniz-AIP / DE
 

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