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Astronomie+Physik

Ein Exoplanet mit Sturm und Eisenwolken

HR 8799 e
Diese künstlerische Darstellung zeigt den Exoplaneten HR 8799 e. (Bild: ESO/L. Calçada)

Astronomen haben mittlerweile fast 4000 extrasolare Planeten im All entdeckt. Doch wie diese Planeten tatsächlich aussehen und wie ihre Atmosphäre beschaffen ist, ist bisher nur von den wenigsten bekannt. Das aber könnte sich nun ändern. Denn Forschern ist die erste direkte und detailreiche Beobachtung eines Exoplaneten mittels optischer Interferometrie gelungen. Indem sie die vier leistungsstarken Achtmeter-Teleskope der Europäischen Südsternwarte (ESO) zusammenkoppelten, konnten sie in die Gashülle eines jungen, sturmumtosten Gasriesen in rund 129 Lichtjahren Entfernung hineinblicken.

„Die Ermittlung der genauen Massen, Umlaufbahnen und atmosphärischen Spektren sind der Schlüssel, um die Natur und Entwicklungsgeschichte von Planeten zu bestimmen“, erklären Sylvestre Lacour vom Observatorium Paris und seine Kollegen von der GRAVITY Collaboration. Doch bisher haben selbst die stärksten Teleskope nur sehr ungenaue Spektraldaten über die Gashüllen fremder Planeten geliefert. Meist sind Kontrast und Auflösung zu gering, um mehr als nur eine globale Präsenz bestimmter Atome und Moleküle anzuzeigen. Hinzu kommt: „Das Problem bei der Emissions-Spektroskopie ist, dass das Signal eines Planeten durch stellares Licht kontaminiert ist“, so die Forscher. Das vom nahen Stern stammende Licht erzeugt ein Störrauschen, das die Struktur der planetaren Signale überlagert.

Gekoppelte Teleskope für den genauen Blick

Dieses Problem haben die Astronomen der GRAVITY Collaboration nun mithilfe der optischen Interferometrie umgangen. Bei diesem Verfahren werden Teleskope mittels Glasfaserleitungen zusammengekoppelt und ihre Beobachtungsdaten kombiniert. Beim Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) bilden die vier optischen 8,3-Meter Teleskope dadurch ein virtuelles Teleskop mit mehr als 100 Metern Größe. Der Clou dabei: Das GRAVITY-Instrument an diesem Interferometer erlaubt es, einen Stern und seinen Planeten getrennt, aber dennoch gleichzeitig zu beobachten und so ihre Spektren direkt zu vergleichen. Dadurch kann die Lichtkontamination vom Stern herausgerechnet und die resultierende Spektralanalyse präzisiert werden, wie die Forscher berichten.

Diese Methode haben Lacour und sein Team nun erstmals an dem Exoplaneten HR 8799e getestet. Der erst 30 Millionen Jahre alte Planet ist massereicher als Jupiter und umkreist seinen jungen Hauptreihenstern als innerster von mindestens vier Planeten. Das System liegt rund 129 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pegasus. Frühere Beobachtungen deuteten darauf hin, dass der Planet HR 8799e noch sehr heiß ist: Restenergie aus seiner Entstehung und ein starker Treibhausgaseffekt heizen den Gasriesen auf eine Temperatur von etwa 1000 Grad Celsius auf, wie die Astronomen berichten. Der Exoplanet ähnelt daher in vielem einem Braunen Zwerg – einem „gescheiterten“ Stern, dessen Masse nicht für die Zündung der Kernfusion ausreichte.

Starker Sturm und Wolken aus Eisen

Mithilfe von GRAVITY ist es nun gelungen, erstmals die genaue Zusammensetzung der Planetenatmosphäre zu bestimmen und sogar erste Hinweise auf das „Wetter“ auf dem Gasriesen zu erhalten. Dies sei das erste Mal, dass die optische Interferometrie eingesetzt wurde, um die Details eines Exoplaneten zu enthüllen, so die Forscher. Das Spektrum des Planeten war zehn Mal detaillierter als alle früheren Beobachtungen – und enthüllte Überraschendes. „Unsere Analyse zeigte, dass HR 8799e eine Atmosphäre hat, die weitaus mehr Kohlenmonoxid als Methan enthält“, berichtet Lacour. Das habe man auf Basis der gängigen Modelle nicht erwartet. „Wir können dieses überraschende Ergebnis am besten erklären, wenn hohe vertikale Winde in der Atmosphäre verhindern, dass das Kohlenmonoxid mit Wasserstoff unter Bildung von Methan reagiert.“

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Das könnte bedeuten, dass HR 8799e eine Gashülle besitzt, in der komplexe und dynamische Prozesse ablaufen – er hat eine Art Wetter. Demnach herrscht in der Atmosphäre des Gasriesen ein heftiger Sturm und es gibt Wolken aus Eisen und Silikatpartikeln. „Die Konvektion bewegt sich um die Wolken aus Silikat- und Eisenpartikeln herum, die sich auflösen und ins Innere regnen. So entsteht ein Bild der dynamischen Atmosphäre eines Riesenexoplaneten bei der Geburt, der komplexe physikalische und chemische Prozesse durchläuft“, sagt Lacour. Nach Ansicht der Wissenschaftler sind diese neuen Erkenntnisse über HR 8799e ein Beleg dafür, wie leistungsfähig die optische Interferometrie bei der Erkundung von Exoplaneten sein kann. „Das könnte bedeuten, dass GRAVITY die meisten der bisher bekannten und abgebildeten Exoplaneten beobachten kann“, sagen die Forscher. „Die Interferometrie-Technik eröffnet uns damit einzigartige Möglichkeiten, Exoplaneten zu charakterisieren.“

Quelle: Sylvestre Lacour (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS) et al., Astronomy and Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/201935253

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