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Exoplanet

Ferne Atmosphärenschichten im Visier

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-189b. (Bild: Bibiana Prinoth)

Komplex und exotisch: Astronomen haben Einblicke in die Gashülle des Exoplaneten WASP-189b gewonnen. Neben Informationen zu den enthaltenen Substanzen zeichnet sich ab, dass sie Schichten aufweist, ähnlich wie die Erdatmosphäre. Im Fall des extrem heißen, Jupiter-ähnlichen Planeten besitzt die Gashülle allerdings ausgesprochen exotische Merkmale: Vermutlich übernimmt dort Titanoxid die Rolle des Ozons in der Schichtung. Den Forschern zufolge könnten die Ergebnisse nun auch der atmosphärischen Erforschung anderer Exoplaneten zugutekommen – darunter erdähnliche Welten.

Im Kosmos wimmelt es von Sternen mit planetaren Trabanten – das haben die Erfolge der Planetenjäger in den letzten Jahrzehnten eindrucksvoll gezeigt. Von vielen Exoplaneten konnten Astronomen auch bereits die Massen, Größen und damit die Dichten erfassen, wodurch wiederum Rückschlüsse auf ihre Zusammensetzungen möglich sind. Mittlerweile richtet sich der neugierige Blick immer mehr auf die Atmosphären. Einblicke in ihre Merkmale werden durch Spektralanalysen des Lichts möglich, das durch die Gashüllen schimmert, wenn die fernen Welten vor ihrem Zentralstern vorbeiziehen. Signaturen in der Strahlung können dabei Rückschlüsse auf das Vorkommen bestimmter Substanzen in der Atmosphäre ermöglichen.

Höllisches Forschungsobjekt

Im Fokus eines internationalen Astronomenteams um Bibiana Prinoth von der Universität Lund in Schweden stand nun einer der extremsten bekannten Exoplaneten. WASP-189b ist ein Jupiter-ähnlicher Himmelskörper, der etwa 322 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das Besondere: Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS ergaben, dass der Planet seinen Mutterstern 20-mal näher umkreist als die Erde die Sonne. In nur 2,7 Tagen saust er dadurch einmal um ihn herum. Entsprechend höllisch sind auch seine Temperaturen: Er erreicht den Schätzungen zufolge 3200 Grad Celsius auf seiner Tagseite.

Die aktuellen Einblicke in die Atmosphäre von WASP-189b sind den Forschern nun durch den HARPS-Spektrografen am La Silla-Observatorium in Chile geglückt. „Wir haben das die Atmosphäre des Planeten durchdringende Licht des Wirtssterns gemessen. Dabei absorbieren Gase in seiner Atmosphäre einen Teil des Sternenlichts, ähnlich wie Ozon einen Teil des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre absorbiert, und hinterlassen so ihren charakteristischen ‘Fingerabdruck’“, erklärt Prinoth. „Mithilfe von HARPS konnten wir die entsprechenden Stoffe der Atmosphäre dann identifizieren.“

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Atmosphärische Strukturen zeichnen sich ab

Anhand der Signaturen in der Strahlung konnten die Wissenschaftler unter anderem Eisen, Chrom, Vanadium, Magnesium und Mangan in der Gashülle von WASP-189b nachweisen. Doch die wichtigste Entdeckung ist, dass die Atmosphäre Titanoxid enthält. Diese Verbindung konnte bisher bei ultraheißen Gasriesen zumindest nicht mit Sicherheit nachgewiesen werden. Das Interessante an Titanoxid ist dabei: Die bei uns seltene Substanz könnte in der Atmosphäre von WASP-189b eine wichtige Rolle spielen – ähnlich derjenigen von Ozon bei der Schichtung der Erdatmosphäre. „Titanoxid absorbiert kurzwellige Strahlung, wie etwa ultraviolette Strahlung. Seine Entdeckung könnte daher auf eine Schicht in der Atmosphäre von WASP-189b hinweisen, die ähnlich wie die Ozonschicht auf der Erde mit der Sterneneinstrahlung interagiert“, erklärt Co-Autor Kevin Heng von der Universität Bern.

Die Forscher fanden zudem weitere Hinweise auf eine Strukturierung in der Gashülle des Exoplaneten: Bei der Untersuchung der sogenannten Linienpositionen der atmosphärischen Bestandteile stellten sie charakteristische Variationen fest. „In unserer Analyse sahen wir, dass die Signaturen der verschiedenen Gase im Vergleich zu unserer Erwartung leicht verändert waren. Dies deutet unserer Meinung nach darauf hin, dass sie in verschiedenen Schichten vorkommen. Ähnlich würden auch die Fingerabdrücke von Wasserdampf und Ozon auf der Erde aus der Ferne unterschiedlich verändert erscheinen, weil sie meist in verschiedenen atmosphärischen Schichten unseres Planeten vorkommen“, erklärt Prinoth. Aus den Ergebnissen geht somit hervor, dass auch WASP-189b eine geschichtete Atmosphäre besitzt, in der dreidimensionale Prozesse, thermische Effekte und Dynamiken eine wichtige Rolle spielen.

Fortschritt in der Atmosphärenforschung

Die Studie könnte damit die Art und Weise verändern, wie Exoplaneten erforscht werden, sagen die Wissenschaftler. „Bisher sind Astronomen oft davon ausgegangen, dass die Atmosphären von Exoplaneten als eine einheitliche Schicht existieren, und haben versucht, sie als solche zu verstehen. Unsere Ergebnisse verdeutlichen aber, dass auch die Atmosphären von intensiv bestrahlten Gasriesenplaneten komplexe dreidimensionale Strukturen aufweisen“, sagt Co-Autor Jens Hoeijmakers von der Universität Lund. Prinoth ergänzt dazu: „Mit unserer Studie ebnen wir den Weg, um mit hochauflösenden Spektrografen ein viel tieferes Verständnis von Exoplanetenatmosphären zu gewinnen“.

Da immer bessere technische Hilfsmittel zur Verfügung stehen, wird es möglich sein, die chemische Zusammensetzung bei verschiedenen Arten von Exoplaneten-Atmosphären immer besser zu erfassen. „Wir sind davon überzeugt, dass wir dabei die dreidimensionale Beschaffenheit der Atmosphären berücksichtigen müssen, um sie vollständig verstehen zu können“, sagt Heng. Prinoth rückt dabei auch die erdähnlichen und möglicherweise lebensfreundlichen Kandidaten ins Visier: „Ich werde oft gefragt, ob ich glaube, dass meine Forschung für die Suche nach Leben anderswo im Universum relevant ist. Meine Antwort ist immer ja. Diese Art von Studien repräsentieren Schritte bei dieser Suche“, so die Astronomin.

Quelle: Universität Lund, Universität Bern, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01581-z

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