Ursprung eines extrem heißen Exoplaneten

Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop James Webb (JWST) haben neue Hinweise darauf geliefert, wie der Exoplanet WASP-121b entstanden ist und wo er sich ursprünglich in der Gas- und Staubscheibe um seinen Stern gebildet haben könnte. Diese Erkenntnisse beruhen auf dem Nachweis mehrerer wichtiger Moleküle: Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Siliziummonoxid und Methan. Daraus erstellte ein Team unter der Leitung der Astronomen Thomas Evans-Soma und Cyril Gapp vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg eine Bestandsaufnahme des Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumgehalts in der Atmosphäre von WASP-121b. Insbesondere der Nachweis von Methan deutet auf starke vertikale Winde auf der kühleren Nachtseite hin, ein Prozess, der in aktuellen Modellen oft unberücksichtigt bleibt.

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WASP-121b ist ein ultraheißer Riesenplanet, der seinen Mutterstern in einer Entfernung umkreist, die nur etwa dem doppelten Durchmesser des Sterns entspricht. Eine Umrundung dauert etwa 30,5 Stunden. Der Planet weist zwei unterschiedliche Hälften auf: eine, die immer dem Mutterstern zugewandt ist und an einigen Stellen Temperaturen von über 3000 Grad Celsius erreicht, und eine ewige Nachtseite, auf der die Temperaturen auf 1500 Grad sinken. „Die Temperaturen auf der Tagseite sind hoch genug, dass hitzebeständige Materialien – gewöhnlich Feststoffe – als gasförmige Bestandteile der Planetenatmosphäre existieren können“, erklärt Thomas Evans-Soma.

Das Team untersuchte die Häufigkeit von Verbindungen, die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen verdampfen, um Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung des Planeten zu erhalten. „Gase sind leichter zu identifizieren als Flüssigkeiten und Feststoffe“, erklärte Cyril Gapp. „Da dort viele chemische Verbindungen gasförmig sind, nutzen Astronomen WASP-121b als natürliches Labor, um die Eigenschaften planetarer Atmosphären zu untersuchen.“ Das Team kam zu dem Schluss, dass WASP-121b den größten Teil seines Gases wahrscheinlich in einer Region angesammelt hat, die kalt genug ist, damit Wasser gefroren bleibt, aber warm genug, damit Methan verdampfen und als Gas existieren kann. Da Planeten in einer Scheibe aus Gas und Staub entstehen, die einen jungen Stern umgibt, treten solche Bedingungen in Entfernungen auf, in denen die Strahlung des Sterns die entsprechenden Temperaturen erzeugt.

In unserem Sonnensystem liegt diese Region zwischen den Umlaufbahnen von Jupiter und Uranus. Dies ist bemerkenswert, da sich WASP-121b nun gefährlich nahe an der Oberfläche seines Muttersterns befindet. Daraus lässt sich schließen, dass er nach seiner Entstehung eine lange Reise von den eisigen Außenregionen zum Zentrum des Planetensystems unternommen hat. Silizium wurde als Siliziummonoxid in gasförmiger Form nachgewiesen. Ursprünglich gelangte es jedoch über Gesteinsmaterial wie Quarz, das in Planetesimalen gespeichert war, in den Planeten, nachdem dieser den größten Teil seiner Gashülle gebildet hatte. Die Entstehung von Planetesimalen dauert einige Zeit, was darauf hindeutet, dass dieser Prozess in den späteren Phasen der Planetenentwicklung stattfand. „Die relativen Häufigkeiten von Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium geben Aufschluss darüber, wie dieser Planet entstanden ist und wie er sein Material erhalten hat“, sagt Thomas Evans-Soma.

Die Planetenentstehung beginnt mit eisigen Staubpartikeln, die zusammenkleben und allmählich zu zentimeter- bis metergroßen Kieselsteinen wachsen. Diese ziehen umgebendes Gas und kleine Partikel an und beschleunigen so ihr Wachstum. Das sind die Saatkörner zukünftiger Planeten wie WASP-121b. Der Strömungswiderstand des umgebenden Gases bewirkt, dass die Kieselsteine spiralförmig nach innen in Richtung des Sterns wandern. Währenddessen beginnt das in ihnen enthaltene Eis in den wärmeren inneren Regionen der Scheibe zu verdampfen. Auf ihrer Umlaufbahn um ihren Mutterstern können die jungen Planeten so groß werden, dass sie erhebliche Lücken in der protoplanetaren Scheibe hinterlassen. Dadurch wird die Drift der Kieselsteine nach innen und die Zufuhr von Eis gestoppt, es bleibt jedoch genügend Gas für den Aufbau einer ausgedehnten Atmosphäre.

Im Fall von WASP-121b scheint dies an einer Stelle geschehen zu sein, an der Methan-Kiesel verdampften und das Gas, das der Planet mit Kohlenstoff versorgte, anreichern konnten. Im Gegensatz dazu blieben Wasserkiesel gefroren und schlossen den darin gebundenen Sauerstoff ein. Dieses Szenario erklärt am besten, warum Evans-Soma und Gapp ein größeres Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff in der Atmosphäre des Planeten als in seinem Mutterstern beobachteten. WASP-121b zog auch nach dem Ende des Zuflusses sauerstoffreicher Kieselsteine weiterhin kohlenstoffreiches Gas an, wodurch sich die endgültige Zusammensetzung seiner Atmosphäre festigte.

Wenn sich die Temperatur einer Atmosphäre verändert, ist zu erwarten, dass sich die Mengen verschiedener Moleküle, wie Methan und Kohlenmonoxid, anpassen. Bei den extrem hohen Temperaturen auf der Tagseite von WASP-121b ist Methan sehr instabil und kommt nicht in nachweisbaren Mengen vor. Astronomen haben für Planeten wie WASP-121b ermittelt, dass Gas aus der Tagseite schneller in die relativ kühle Nachtseite gelangen sollte, als sich die Gaszusammensetzung an die niedrigeren Temperaturen anpassen kann. Unter diesem Szenario wäre zu erwarten, dass die Methankonzentration auf der Nachtseite ebenso wie auf der Tagseite vernachlässigbar ist. Als die Astronomen stattdessen reichlich Methan auf der Nachtseite von WASP-121b nachwiesen, war dies eine völlige Überraschung.

Um dieses Ergebnis zu erklären, schlägt das Team vor, dass Methangas auf der Nachtseite schnell wieder aufgefüllt werden muss, um seine hohe Konzentration aufrechtzuerhalten. Ein plausibler Mechanismus hierfür sind starke vertikale Strömungen, die Methangas aus den unteren Schichten der Atmosphäre aufsteigen lassen. Dank der relativ niedrigen Temperaturen auf der Nachtseite und des hohen Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnisses der Atmosphäre sind sie reich an Methan. „Dies stellt die dynamischen Modelle von Exoplaneten in Frage. Sie müssen wahrscheinlich angepasst werden, um die starke vertikale Durchmischung nachzubilden, die wir auf der Nachtseite von WASP-121b entdeckt haben“, so Evans-Soma.

Das Team verwendete den Nahinfrarotspektrografen (NIRSpec) des JWST, um WASP-121b auf seiner gesamten Umlaufbahn um seinen Mutterstern zu beobachten. Während sich der Planet um seine eigene Achse dreht, variiert die von seiner Oberfläche empfangene Wärmestrahlung, sodass unterschiedliche Teile seiner bestrahlten Atmosphäre für das Teleskop sichtbar werden. Auf diese Weise konnte das Team die Bedingungen und die chemische Zusammensetzung der Tag- und Nachtseite des Planeten ermitteln.

Die Astronomen nahmen auch Beobachtungen auf, als der Planet vor seinem Stern vorbeizog. Während dieser Phase filtert ein Teil des Sternenlichts durch den Rand der Atmosphäre des Planeten und hinterlässt spektrale Fingerabdrücke, die seine chemische Zusammensetzung verraten. Diese Art der Messung ist besonders empfindlich für den Übergangsbereich, in dem sich Gase von der Tag- und Nachtseite vermischen. „Das sich abzeichnende Transmissionsspektrum bestätigte die mit den Emissionsdaten gemachten Nachweise von Siliziummonoxid, Kohlenmonoxid und Wasser“, so Gapp. „Methan haben wir jedoch in der Übergangszone von der Tag- zur Nachtseite nicht gefunden.“

MPIA / JOL