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Exoplaneten

Atmosphärische Spur einer Wanderung

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten HD 209458b. Die schimmernde Sichel soll die Lichtspektren verdeutlichen, die Astronomen zur Identifizierung von sechs Molekülen der Atmosphäre verwendet haben. (Bild: University of Warwick/Mark Garlick)

Erneut rückt ein Astro-Promi ins Visier: Der Exoplanet, der 1999 erstmals mittels Transitmethode identifiziert wurde, hat nun detaillierte Einblicke in seine Atmosphäre gewährt. Die Zusammensetzung der Gase legt nahe, dass der Planet eine „heiße“ Migrationsgeschichte hinter sich hat, berichten die Astronomen. Demnach hat er sich vergleichsweise weit von seinem Stern entfernt gebildet und ist erst später auf seine extrem enge Umlaufbahn gewandert. Dies bestätigt die Annahme, dass Exoplaneten der Kategorie „heiße Jupiter“ typischerweise im Verlauf ihrer Geschichte aus äußeren Bereichen ihrer Sternsysteme in die Zentren gerückt sind.

Auch um ferne Sterne kreisen Planeten – dies haben Astronomen mittlerweile eindrucksvoll bestätigt. Besonders viele Exoplaneten sind den Planetenjägern dabei durch die sogenannte Transitmethode ins Netz gegangen. Dieses Nachweisverfahren ist anwendbar, wenn die Umlaufbahn eines Planeten so liegt, dass er von der Erde aus gesehen genau vor seinem Stern vorbeizieht. Dabei erzeugt er periodische Absenkungen dessen Helligkeit. Bei der Suche nach Exoplaneten kam diese Methode erstmals im Jahr 1999 erfolgreich zum Einsatz, als Astronomen so den Planeten HD 209458b identifizierten. Er umkreist einen sonnenähnlichen Stern, der sich etwa 150 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pegasus befindet. Nach seiner Entdeckung blieb HD 209458b auch weiterhin fest im Blick der Astronomen und so konnten sie bereits einige seiner Merkmale aufdecken.

Eine ferne Atmosphäre im Visier

So avancierte er zum Archetyp der Exoplaneten-Kategorie der sogenannten heißen Jupiter, für die mittlerweile zahlreiche Beispiele entdeckt wurden. HD 209458b besitzt ähnliche Ausmaße wie der größte Planet unseres Sonnensystems, umkreist seinen Zentralstern aber noch weit enger als der Merkur die Sonne: Mit einem Abstand von nur etwa sieben Millionen Kilometern saust dieser Riese um sein heißes Gestirn. Astronomen konnten schon zuvor erste Informationen über seine Atmosphäre gewinnen. Demnach verdampft sie durch die große Nähe zum Stern regelrecht und bildet eine Art Schweif wie bei einem Kometen. Auch Hinweise auf Inhaltsstoffe in der Gashülle von HD 209458b gab es bereits, doch die aktuelle Studie ermöglicht nun erstmals einen detaillierteren Einblick in die atmosphärische Zusammensetzung.

Die Ergebnisse basieren dabei auf Daten des Telescopio Nazionale Galileo in La Palma. Das Teleskop erfasste das Licht, das durch die Gashülle von HD 209458b scheint, wenn der Planet vor seinem Zentralstern vorbeizieht. Durch Spektralanalysen dieses Schimmers waren dann die Rückschlüsse auf das Vorhandensein bestimmter Substanzen in der Atmosphäre möglich. So konnten die Astronomen nun gleich sechs Bestandteile nachweisen: Cyanwasserstoff, Methan, Ammoniak, Acetylen, Kohlenmonoxid und geringe Mengen an Wasserdampf. Wie sie erklären, ist dabei die Häufigkeit der Kohlenstoffverbindungen (Cyanwasserstoff, Methan, Acetylen und Kohlenmonoxid) bemerkenswert. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass in der Atmosphäre unterm Strich etwa so viele Kohlenstoffatome wie Sauerstoffatome vorhanden sind. Den Wissenschaftlern zufolge ist dies doppelt so viel, wie vor dem Hintergrund von Entstehungsmodellen von Planetensystemen zu erwarten wäre.

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Ferner Geburtsort

„Es erscheint unmöglich, dass sich dieser Planet mit einer so kohlenstoffreichen Atmosphäre dort gebildet hat, wo er sich jetzt befindet“, sagt Co-Autor Siddharth Gandhi University of Warwick. „Denn bei den hohen Temperaturen sollte Sauerstoff doppelt so häufig vorkommen wie Kohlenstoff und meist mit Wasserstoff zu Wasser oder mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid gebunden sein“, erklärt der Wissenschaftler. Aus den Befunden geht hingegen hervor, dass der Planet während seiner Entstehung besonders viel kohlenstoffreiches Gas akkretiert hat. Den Forschern zufolge ist die plausibelste Erklärung für die Ergebnisse, dass HD 209458b einst viel weiter von seinem Stern entfernt kreiste als heute.

Zur Erklärung: Ein Planetensystem beginnt sein Leben als eine Scheibe aus Material, die den Stern umgibt und sich zu den festen Kernen der Planeten zusammenfügt, die dann gasförmiges Material ansammeln, um eine Atmosphäre zu bilden. In der Nähe des Sterns, wo es heißer ist, bleibt dabei ein Großteil des Sauerstoffs in der Atmosphäre als Wasserdampf erhalten. Weiter draußen, wo es kühler ist, kondensiert dieses Wasser zu Eis und wird im Planetenkern eingeschlossen, sodass eine Atmosphäre übrig bleibt, die stärker aus Molekülen auf Kohlenstoff- und Stickstoffbasis besteht. Daher ist zu erwarten, dass Planeten, die nahe an der Sonne kreisen, Atmosphären besitzen, die reich an Sauerstoff und nicht an Kohlenstoff sind. Vor diesem Hintergrund deuten die Befunde bei HD 209458b also auf eine Wandergeschichte hin.

„Anhand der Befunde konnten wir eingrenzen, wo in der protoplanetaren Scheibe sich der Planet ursprünglich gebildet haben könnte“, sagt Gandhi. Demnach entstand HD 209458b wohl in ähnlichen Entfernungen zu seinem Stern wie Jupiter oder Saturn sie zur Sonne aufweisen. Von dieser Position ist er im Lauf seiner Geschichte auf die „heiße“ Umlaufbahn im Zentrum des Systems gewandert. „Dies bestätigt somit die Annahmen, dass heiße Jupiter wie HD 209458b weit entfernt von ihren jetzigen Positionen entstanden sind“, resümiert Gandhi.

Quelle: University of Warwick, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03381-x

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