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Exoplaneten

Skurriles Exo-Wetter im Visier

Künstlerische Darstellung des heißen Jupiter WASP-121 b. Es handelt sich um einen Planeten der Klasse der heißen Jupiter. Er präsentiert seinem Stern immer dieselbe Seite, die dadurch auf bis zu 3000 Grad Celsius erhitzt wird. Auf der ewigen Nachtseite ist es hingegen 1500 Grad Celsius kühler. © Patricia Klein und MPIA

Ein bizarrer Wasserkreislauf, Metallwolken, Edelstein-Regen und gigantische Stürme zeichnen sich ab: Astronomen haben Einblicke in die fremdartigen Wetterphänomene in der Atmosphäre des heißen Jupiters WASP-121 b gewonnen. Sie entstehen durch die extremen Unterschiede zwischen der ewig heißen Tag- und der kühleren Nachtseite des Exoplaneten – denn er umkreist seinen Stern in gebundener Rotation. Die neuen Einblicke repräsentieren einen großen Schritt auf dem Weg zum Verständnis der globalen Stoff- und Energiekreisläufe in den Atmosphären von Exoplaneten, sagen die Forscher.

Höllische Riesenwelten mit skurrilen Merkmalen: Von den mittlerweile fast 5000 bekannten Exoplaneten werden etwa 300 der Kategorie der heißen Jupiter zugeordnet. Dabei handelt es sich um besonders große Gasplaneten, die ihre Zentralsterne auf sehr engen Bahnen umkreisen. Durch die Nähe heizt die Strahlung des Sterns diese Planeten teilweise auf bis zu einige tausend Grad Celsius auf. Besonders betroffen ist dabei allerdings nur eine Seite: Bei heißen Jupitern ist die Rotation durch Gezeitenkräfte an die Umlaufbahn um ihre Sterne gebunden: Eine Umrundung benötigt die gleiche Zeit, die der Planet braucht, um sich einmal um seine Achse zu drehen. Folglich herrscht auf einer Seite immer heißer Tag und auf der anderen eine vergleichsweise kühle ewige Nacht. Man kann sich vorstellen, dass dieses Ungleichgewicht buchstäblich für viel Wirbel in den Atmosphären der heißen Jupiter sorgt.

Der Untersuchung dieser exotischen Welten widmen sich die Forscher um Thomas Mikal-Evans vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. In ihrem Visier stand dabei der etwa 855 Lichtjahre von uns entfernte heiße Jupiter WASP-121 b. Er besitzt einen fast doppelt so großen Durchmesser wie unser Jupiter und umkreist seinen Zentralstern extrem nah – er saust in nur 30 Stunden einmal um ihn herum. Seine Tagseite wird dabei geradezu geröstet. Auf der Nachtseite ist der Planet hingegen ständig auf den kalten und dunklen Weltraum ausgerichtet.

Tag- und Nachtseite im Blick

Informationen über die Merkmale beider Seiten haben die Wissenschaftler nun durch spektrale Analysen gewonnen, die auf Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA basieren. „Um die gesamte Oberfläche von WASP-121 b zu untersuchen, haben wir mit Hubble Spektren während zweier kompletter Planetenumläufe aufgenommen“, erklärt Co-Autor David Sing von der Johns Hopkins University in Baltimore. Mit dieser Technik und unterstützt durch die Modellierung der Daten haben die Astronomen die obere Atmosphäre von WASP-121 b über den gesamten Planeten hinweg untersuchen können. Dadurch ergab sich ein umfassendes Bild davon, wie die Atmosphäre des Exoplaneten als globales System funktioniert.

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Wie die Forscher berichten, ermöglichten die Ergebnisse dabei Rückschlüsse auf den Wasserkreislauf von WASP-121 b. Er unterscheidet sich demnach drastisch, von dem was wir kennen. Auf der Erde ändert das Wasser häufig seinen Aggregatzustand: Festes Eis schmilzt zu flüssigem Wasser, dieses verdampft zu Gas und kondensiert dann zu Tröpfchen, die Wolken bilden. Der Kreislauf schließt sich anschließend, wenn Regentropfen einstehen, die auf die Oberfläche herabregnen. Auf WASP-121 b ist der Wasserkreislauf hingegen von extremer Hitze geprägt: Auf der ewigen Tagseite erhitzt sich die obere Atmosphäre auf bis zu 3000 Grad Celsius, geht aus den Spektraldaten hervor. Dabei beginnt das Wasser zu glühen und viele der Moleküle zerfallen sogar in ihre atomaren Bestandteile, erklären die Forscher.

Auf der Nachtseite herrschen hingegen deutlich niedrigere Temperaturen, wodurch ein starkes „Ausgleichsbedürfnis“ entsteht, das sich in der Form von Stürmen äußert. Aus den Hubble-Daten geht hervor, dass sie mit über 17.000 Kilometer pro Stunde von Westen nach Osten um den Planeten peitschen und dabei die aufgebrochenen Wassermoleküle mitreißen. Schließlich erreichen sie dabei auch die Nachtseite. Die niedrigeren Temperaturen ermöglichen es den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen dort, sich wieder zu verbinden und Wasserdampf zu bilden. Später werden sie dann wieder auf die Tagseite geweht und der Zyklus wiederholt sich. Wie die Forscher betonen, sinken die Temperaturen dabei allerdings nie so weit ab, dass sich Wasserwolken bilden können, geschweige denn Regen.

Metallische Wolken und „edler“ Regen

Stattdessen besitzt WASP-121 b Wolken der bizarren Art: Den Modellen des Teams zufolge bestehen sie hauptsächlich aus Metallen wie Eisen, Magnesium, Chrom und Vanadium. Die neuen Hubble-Daten deuten darauf hin, dass die Temperaturen auf der Nachtseite tief genug sinken, damit diese Metalle dort zu Wolken kondensieren können. Anschließend werden sie dann erneut auf die Tagseite geblasen, wo sie wieder verdampfen. „Die Winde können diese Wolken wahrscheinlich in etwa 20 Stunden über den gesamten Planeten bewegen“, sagt Co-Autor Tansu Daylan vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Die Forscher vermuten, dass in tieferen Schichte der Atmosphäre die Elemente Aluminium und Titan soweit kondensieren, dass sie abregnen. Dabei könnte es offenbar auch zu besonderen Verbindungen kommen: Wenn sich kondensierendes Aluminium mit Sauerstoff verbindet, entsteht Korund. Mit Verunreinigungen aus Chrom, Eisen, Titan oder Vanadium kennen wir diese Substanz als Rubin oder Saphir. Auf der Nachtseite von WASP-121 b könnte es also flüssige Edelsteine regnen, so die Wissenschaftler.

„Es ist aufregend, Planeten wie WASP-121 b zu untersuchen, die sich sehr von denen in unserem Sonnensystem unterscheiden, denn sie ermöglichen uns Einblicke darin, wie sich Atmosphären unter extremen Bedingungen verhalten“, sagt Co-Autorin Joanna Barstow von der Open University in Milton Keynes (UK). Mikal-Evans fügt hinzu: „Um diesen Planeten noch besser zu verstehen, wollen wir ihn bald auch mit dem James-Webb-Weltraumteleskop innerhalb des ersten Jahres seines Betriebs beobachten.“ Von den geplanten Untersuchungen erhoffen sich die Astronomen unter anderem Hinweise darauf, wie und wo WASP-121 b in der protoplanetaren Scheibe seines Sterns einst gebildet hat. Auch das rasante Treiben in der Atmosphäre wollen sie weiter im Visier behalten: Die Messungen könnten die Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen innerhalb der Atmosphäre des Planeten erfassen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, Massachusetts Institute of Technology, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01592-w

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