Lodernde Atmosphäre

Wasp-121b ist ein Exoplanet, der sich 850 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet und seinen Stern in weniger als zwei Tagen umkreist. Er liegt sehr nahe an seinem Stern – etwa vierzig Mal näher als die Erde an der Sonne. Die unmittelbare Nähe ist auch der Haupt­grund für seine immens hohe Temperatur von 2500 bis 3000 Grad Celsius. Das macht ihn zu einem idealen Studienobjekt, um mehr über ultraheiße Welten zu erfahren.

Forscher um Jens Hoeijmakers, Postdoktorand am Nationalen Forschungs­schwerpunkt PlanetS an den Universitäten Bern und Genf, haben nun Daten untersucht, die der hochauflösende Harps-Spektrograph gesammelt hatte. Sie konnten nachweisen, dass in der Atmosphäre von Wasp-121b insgesamt sieben gasförmige Metalle vorkommen. Der Planet wurde seit seiner Entdeckung bereits ausführlich untersucht. „Die früheren Studien zeigten, dass in seiner Atmosphäre viel los ist”, erklärt Jens Hoeijmakers. Und dies obwohl Astronomen davon ausgegangen waren, dass ultraheiße Planeten eher simple Atmosphären haben, weil sich bei solch glühender Hitze nicht viele komplexe chemische Verbindungen bilden können. Wie kommt es auf Wasp-121b also zu dieser unerwarteten Komplexität?

„Frühere Studien versuchten, diese komplexen Beobachtungen mit Theorien zu erklären, die mir nicht plausibel erschienen”, sagt Hoeijmakers. Die Studien hatten nämlich Moleküle, die das relativ seltene Metall Vanadium enthalten, als Hauptursache für die komplexe Atmosphäre bei Wasp-121b vermutet. Nach Hoeijmakers’ Ansicht wäre dies jedoch nur möglich, wenn ein häufiger vorkommendes Metall, nämlich Titan, in der Atmosphäre fehlen würde. Also machten sich Hoeijmakers und seine Kollegen auf die Suche nach einer anderen Erklärung. „Aber es stellte sich heraus, dass sie Recht gehabt hatten”, gibt Hoeijmakers unumwunden zu. „Zu meiner Überraschung fanden wir in den Beobachtungen tatsächlich starke Signaturen von Vanadium.” Gleichzeitig fehlte aber Titan. Dies wiederum bestätigte Hoeijmakers Annahme.

Doch das Team machte weitere, unerwartete Entdeckungen. Sie fanden neben Vanadium sechs weitere Metalle in der Atmosphäre, die bislang unentdeckt geblieben waren: Eisen, Chrom, Kalzium, Natrium, Magnesium und Nickel. „Sämtliche Metalle verdampften infolge der hohen Temperaturen, die auf Wasp-121b herrschen”, erklärt Hoeijmakers, „und sorgen so dafür, dass die Luft auf dem Exoplaneten unter anderem aus verdampften Metallen besteht.”

Solche detaillierten Ergebnisse erlauben es den Forschern beispielsweise, auf die chemischen Prozesse zu schließen, die auf solchen Planeten ablaufen. Eine entscheidende Fähigkeit für die nicht allzu ferne Zukunft, wenn größere, empfindlichere Teleskope und Spektrographen entwickelt werden. Diese werden es den Astronomen erlauben, die Eigenschaften kleinerer, kühlerer Gesteinsplaneten, die der Erde ähnlich sind, zu erörtern. „Mit den gleichen Techniken, die wir heute nutzen, werden wir statt nur Signaturen von gasförmigem Eisen oder Vanadium zu detektieren, in der Lage sein, uns auf Biosignaturen zu fokussieren, also auf Anzeichen für Leben wie die Signaturen von Wasser, Sauerstoff und Methan”, so Hoeijmakers.

Die umfangreichen Erkenntnisse zur Atmosphäre von Wasp-121b bestätigen nicht nur den heißen Charakter des Exoplaneten, sondern unterstreichen auch die Tatsache, dass dieses Forschungs­gebiet in eine neue Ära eintritt, wie Hoeijmakers es ausdrückt: „Nachdem wir jahrelang katalogisiert haben, was es da draußen gibt, nehmen wir nun nicht mehr nur Messungen vor”, erklärt der Forscher, „sondern wir beginnen wirklich zu verstehen, was die Daten der Instrumente uns zeigen. Wie Planeten einander ähneln und sich voneinander unterscheiden. Ähnlich vielleicht, wie Charles Darwin nach der Charakterisierung unzähliger Tierarten begann, die Evolutions­theorie zu entwickeln, beginnen wir mehr darüber zu verstehen, wie diese Exoplaneten entstanden sind und wie sie funktionieren.”

Der Harps-Spektrograph ist in der Lage, das schwache Licht, das von fernen Planeten kommt, mit erstaunlicher Präzision zu erfassen. Er wurde unter der Leitung des Genfer Observatoriums von einem Konsortium entwickelt, dem auch das Observatoire de Haute-Provence, das Physikalische Institut der Universität Bern und der Service d'Aéronomie, Paris, angehörten.

U. Bern / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. J. Hoeijmakers et al.: Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) – IV. A spectral inventory of atoms and molecules in the high-resolution transmission spectrum of WASP-121 b, Astron. Astrophys., online 18. September 2020; DOI: 10.1051/0004-6361/202038365
• HARPS - High Accuracy Radial velocity Planet Searcher, European Southern Observatory