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Astronomie+Physik

Gasplaneten mit Heliumhülle und Schweif

WASP-69b
Gasplanet WASP-69b mit seinem Heliumschweif (Grafik: Gabriel Perez Diaz/IAC)

Erst vor Kurzem ist es Astronomen gelungen, erstmals Helium in der Gashülle eines Exoplaneten nachzuweisen. Jetzt haben Forscher zwei besondere Vertreter solcher heliumreichen Gasriesen entdeckt. Denn diese beiden Gasplaneten kreisen so nah an ihrem Stern, dass ihre Gashülle wie ein Ballon aufgeblasen ist. Durch den starken Sternenwind wird ein Teil ihres atmosphärischen Heliums weit ins All hinausgeweht. Einer dieser Gasriesen besitzt dadurch sogar einen Heliumschweif. Diese Beobachtungen könnten erklären, wie und warum einige Gasplaneten ihre Gashülle komplett verlieren.

Helium ist das zweithäufigste Element im Universum und kommt vor allem in den Hüllen von Sternen und großen Gasplaneten wie dem Jupiter vor. Unter anderem deshalb galt dieses Edelgas als besonders guter Indikator dafür, ob ein Exoplanet eine Gashülle besitzt oder nicht. Das Problem jedoch: Helium in der Atmosphäre eines fernen Planeten nachzuweisen ist relativ schwierig. Im Lichtspektrum verrät sich dieses Element oft nur in Absorptionslinien, die weit im infraroten Strahlungsbereich liegen – und viele Spektrometer erfassen diesen Bereich nicht oder nur sehr ungenau. Deshalb ist es Astronomen auch erst vor kurzem gelungen, erstmals Helium in der Gashülle eines Exoplaneten nachzuweisen.

Unklar blieb jedoch bisher, wie stabil dieses Helium bei heißen Gasriesen ist – Gasplaneten, die ihren Stern sehr dicht umkreisen. Jetzt haben gleich zwei Forschergruppen solche heliumhaltigen Gasriesen näher untersucht. Möglich wurde dies dank des Carmenes-Spektrographen am Calar Alto Observatorium im spanischen Almeria. Dieses Instrument deckt sowohl den sichtbaren Wellenlängenbereich als auch das nahe Infrarot mit hoher spektraler Auflösung ab. Der Spektrograph kann mehr als 100.000 verschiedene Frequenzbereiche im Infrarot unterscheiden und messen – und so auch die feinen Absorptionslinien von Helium in diesem Bereich aufspüren.

Aufgebläht wie ein Ballon

Das Team um Romain Allart von der Universität Genf nutzte dieses Instrument, um den 124 Lichtjahre entfernten Gasriesen HAT-P-11b ins Visier zu nehmen. Dieser neptungroße Gasplanet umkreist seinen Stern rund 20-Mal näher als die Erde die Sonne, er benötigt für einen Umlauf nur knapp fünf Tage. „Wir hatten daher den Verdacht, dass die große Nähe zum Stern die Atmosphäre dieses Exoplaneten beeinflussen könnte“, sagt Allart. Denn in einer so geringen Entfernung zum Stern ist ein Planet starken Sternenwinden und Strahlenduschen ausgesetzt, die Gas aus seiner Atmosphäre ins All hinausreißen können. „Planeten, die nicht massereich genug sind, um ihre Hülle festzuhalten, können ihre Atmosphäre so verlieren“, so die Forscher.

Und tatsächlich: „Die neuen Beobachtungen sind so präzise, dass sie zeigen, wie die Atmosphäre dieses Exoplaneten durch den Sternenwind aufgebläht ist und ins All entweicht“, sagt Allart. Den Spektralanalysen nach rast das Helium mit mehr als 10.000 Kilometern pro Stunde aus der Gashülle von HAT-P-11b hinaus. „Weil Helium ein so leichtes Gas ist, entgeht es der Anziehungskraft des Planeten und bildet eine ausgedehnte Wolke um ihn herum“, erklärt Co-Autor Vincent Bourrier von der Universität Genf. Dieser Halo aus entwichenem Helium reicht bis etwa 2,3 Planetenradien weit ins All hinaus.

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Gasplanet mit Heliumschweif

Noch extremer ist dieser Heliumschwund bei einem Planeten, den das zweite Team um Lisa Nortmann vom Astrophysikalischen Institut der Kanaren auf Teneriffa mit dem Carmenes-Spektrographen beobachtet hat. WASP-69b hat etwa die Masse des Saturn und umkreist seinen Stern ebenfalls sehr eng, er benötigt nur knapp vier Tage für einen Umlauf. Wie die Lichtkurve enthüllte, wird auch seine Atmosphäre stark vom Sternenwind beeinflusst: Eine verstärkte Verdunklung des Spektrums im Heliumbereich spricht dafür, dass auch WASP-69b einen Teil seines Heliumgases verliert und dadurch aufgebläht erscheint. Aber nicht nur das: „Die Verteilung des Heliums um den Planeten ist asymmetrisch und eine Wolke von Gas folgt ihm entlang seines Orbits“, berichten die Forscher.

Mit anderen Worten: Dieser Planet zieht einen Schweif aus Helium hinter sich her. „Unseren Berechnungen nach hat dieser Schweif eine Länge von rund 170.000 Kilometern – das entspricht dem 2,2-fachen Planetenradius“, so Nortmann und ihre Kollegen. Doch warum bildet WASP-69b einen Heliumschweif und HAT-P-11b nicht? Aus Vergleichen mit weiteren heliumreichen Exoplaneten schließen die Astronomen, dass die Dichte des Planeten, aber auch die Intensität der extremen UV-Strahlung vom Stern dafür eine wichtige Rolle spielt. „Diese Ergebnisse sind ein erster großer Schritt dahin herauszufinden, wie sich die Exoplaneten-Atmosphären im Laufe der Zeit entwickeln und woraus sich die Verteilung der Massen und Radien der beobachteten Population von Super-Erden und Mini-Neptuns ergeben könnte“, sagt Nortmanns Kollege Enric Pallé.

Quellen: Romain Allart (Université de Genéve, Genf) et al., Science, doi: 10.1126/science.aat5879; Lisa Nortmann (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa) et al., Science, doi: 10.1126/science.aat5348

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