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Astronomie+Physik

Dampf aus Eisen und Titan

KELT-9
Der heiße Jupiter KELT-9b umkreist einen sehr heißen blauen Stern (Grafik: Denis Bajram)

Heiße Jupiter sind die Extremisten unter den Exoplaneten. Wegen der großen Nähe zu ihrem Stern ist ihre Gashülle bis auf tausende Grad aufgeheizt. Jetzt ist es Astronomen erstmals gelungen in der Atmosphäre eines solchen Gasriesen atomares Eisen und Titan nachzuweisen. Dass diese Metalle in der extrem heißen Gashülle mancher Exoplaneten als atomarer Dampf vorliegen, wurde schon länger vorhergesagt. Jetzt ist den Forschern bei einem rund 650 Lichtjahre von der Erde entfernten Gasplaneten der Nachweis gelungen.

In unserem Sonnensystem kreisen große Gasplaneten wie der Jupiter relativ weit außen um die Sonne. Doch bei vielen fremden Sternen ist dies nicht der Fall: Rund ein Prozent aller bisher bekannten Exoplaneten sind sogenannte „heiße Jupiter“. Diese Gasriesen umkreisen ihren Stern so eng, dass sie nur wenige Tage bis Wochen für einen Umlauf benötigen. Als Folge herrschen auf vielen dieser Exoplaneten extrem hohe Temperaturen von mehreren tausend Grad. Diese Planeten sind damit heißer als manche Sterne – und das hat auch Auswirkungen auf die Zusammensetzung ihrer Atmosphäre. Die enorme Energie dieser Hitze zerreißt alle molekularen Bindungen und zerlegt daher Moleküle in ihre Atome oder in Ionen. Das gilt sowohl für Gase als auch für die bei diesen Temperaturen ebenfalls gasförmigen metallischen Elemente. „Bei diesen hohen Temperaturen sind Eisen und andere Übergangsmetalle nicht mehr in Molekülen oder Wolkenpartikeln gebunden, sondern sie existieren nur in ihrer atomaren Form“, erklären Jens Hoeijmakers von der Universität Genf und seine Kollegen.

Heißer Jupiter im Visier

Doch bisher war es den Astronomen nicht gelungen, die Existenz von atomarem Eisen oder Titan in der Atmosphäre eines solchen heißen Jupiters nachzuweisen – bis jetzt. Für ihre Studie hatten die Forscher den Stern KELT-9 und den ihn umkreisenden heißen Jupiter Kelt-9b ins Visier genommen. Der rund 650 Lichtjahre von der Erde entfernte Planet ist seinem Stern 30-mal näher als die Erde der Sonne und benötigt nur 36 Tage für einen Umlauf. Weil KELT-9 fast doppelt so heiß ist wie die Sonne, heizt er seinen Begleiter bis auf 4000 Grad Celsius auf. „Bei diesen ungewöhnlich hohen Temperaturen müssten alle Komponenten der Atmosphäre von KELT-9b in der Gasphase sein“, berichten die Forscher. In Modellsimulationen hatten sie den zu erwartenden Zustand der Gashülle von KELT-9b nachgebildet. „Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigten, dass die meisten Moleküle in der Atmosphäre von KELT-9b in atomarer Form vorliegen sollten“, erklärt Co-Autor Kevin Heng von Universität Bern.

Um herauszufinden, ob sich in der Gashülle des heißen Jupiters tatsächlich atomares Eisen und Titan befinden, beobachteten die Forscher anschließend den Exoplaneten mit dem HARPS-Spektrographen des Galileo-Teleskops auf der Kanareninsel La Palma. Weil die Gashülle von KELT-9b bei dessen Transit einen Teil des Sternenlichts schluckt, liefert das Lichtspektrum wertvolle Hinweise auf die Zusammensetzung der Planeten-Atmosphäre. Die Astronomen mussten nun „nur“ noch gezielt nach den spektralen Signaturen von atomarem Eisen und Titan suchen. „Dank der theoretischen Vorhersagen von Hengs Team brauchten wir nur noch einer Art Schatzkarte zu folgen“, sagt Hoeijmakers.

Eisen, Titan und Metallionen

Die Astronomen hatten Erfolg: Im Spektrum des Planetentransits entdeckten sie Spektrallinien, die von frei umherfliegenden Eisenatomen stammen mussten. Wie vorhergesagt gibt es in der Gashülle des heißen Jupiters KELT-9b demnach atomaren Eisendampf. Erstmals haben die Forscher damit die Existenz von purem Eisen in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen. Doch das war nicht alles: „Als wir uns intensiver mit den Daten beschäftigt haben, fanden wir sogar noch mehr“, sagt Hoeijmakers. Denn neben den Metallatomen zeigte das Lichtspektrum auch die Linien von einfach ionisiertem Eisen und Titan. „Die Peaks von Fe, Fe+ und Ti+ sind deutlich als helle Streifen in den Achsen von Zeit und Radialgeschwindigkeit zu erkennen“, so die Forscher.

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Spannend ist dies unter anderem deshalb, weil sich aus der Intensität und Art der spektralen Signaturen auf die Temperatur in der Gashülle des heißen Jupiters schließen lässt. „Die Tatsache, dass die Spektrallinien des Eisenions prominenter hervortreten als die des atomaren Eisens deutet darauf hin, dass die atmosphärischen Temperaturen von KELT-9b die 4000 Grad sogar übertreffen“, berichten die Astronomen. Wie sie erklären, trägt der Nachweis der Metalle in der Gashülle dieses Exoplaneten dazu bei, die Entwicklung und Entstehung solcher Extremwelten besser zu verstehen. In Zukunft wollen sie KELT-9b und seine Atmosphäre noch genauer untersuchen, um so auch andere Elemente und Verbindungen aufzuspüren.

Quelle: Jens Hoeijmakers (Universität Genf) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0401-y

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