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Heißer Jupiter mit geschichteter Hülle

Erster Nachweis einer komplexen Atmosphäre bei einem Exoplaneten

WASP-189b
Der extrem heiße Exoplanet WASP-189b könnte eine geschichtete Atmosphäre besitzen (Illustration). © Bibiana Prinoth

Komplexe Hülle: Astronomen haben erstmals eine komplexe, möglicherweise geschichtete Atmosphäre bei einem Exoplaneten nachgewiesen. Demnach deuten Auffälligkeiten im Lichtspektrum des heißen Gasriesen WASP-189b auf eine Gashülle mit regional verschiedenen Zusammensetzungen hin. Der extrem heiße Planet könnte zudem eine UV-Schutzschicht aus gasförmigem Titanoxid besitzen, wie das Team im Fachmagazin „Nature Astronomy“ berichtet.

Die Erde und auch einige andere Planeten im Sonnensystem besitzen eine komplexe, in Schichten aufgebaute Atmosphäre. Wie die Gashüllen extrasolarer Planeten aussehen, ist allerdings noch weitgehend unerforscht – die Auflösung der Teleskope reichte nicht aus. Nur von einigen heißen Gasriesen konnten einzelne Komponenten identifiziert werden, darunter gasförmige Metalle, Blausäuregas oder Wolken aus Korund.

Extremplanet im Visier

Ein etwas genauerer Blick ist nun einem Team um Bibiana Prinoth von der Universität Lund in Schweden gelungen. Sie haben den heißen Jupiter WASP-189b mit dem Weltraumteleskop CHEOPS und dem HARPS-Instrument des La-Sila-Observatoriums in Chile näher untersucht. Der 322 Lichtjahre von uns entfernte Gasriese WASP-198b umkreist seinen Stern sehr nah und ist daher so heiß, dass er von selbst strahlt. Zudem folgt er einer um 90 Grad gekippten, polaren Umlaufbahn um den Stern.

Der Clou jedoch: Der Planet hat zwar eine gebundene Rotation und kehrt seinem Stern daher immer die gleiche Seite zu. „Unser Blickwinkel variiert aber vom Beginn bis zum Ende des Transits substanziell“, so die Astronomen. Wenn der Planet vor dem Stern vorüberzieht, sehen sie erst ein wenig mehr von der Morgenseite, dann von der Abendseite. Dadurch lässt sich am Lichtspektrum ermitteln, ob es regionale oder tageszeitliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Gashülle gibt.

Metallgase und starke Winde

Und tatsächlich: „In unserer Analyse sahen wir, dass die Fingerabdrücke der verschiedenen Gase im Vergleich zu unserer Erwartung leicht verändert waren“, berichtet Prinoth. So waren zwar generell die spektralen Signaturen von gasförmigen Metallen wie Eisen, Chrom, Mangan, Titan, Vanadium und Nickel nachweisbar. Einige Spektrallinien waren aber deutlich stärker ins Blaue verschoben, als sie allein aufgrund der Planetenrotation sein dürften. „Diese Verschiebungen stimmen zudem bei den verschiedenen Elemente nicht überein“, erklärt das Team.

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Nach Ansicht der Astronomen deutet dies darauf hin, dass die Atmosphäre von WASP-189b nicht überall gleich ist und dass es in ihr dynamische Prozesse gibt: „Wir glauben, dass starke Winde und andere Prozesse diese Veränderungen hervorrufen könnten“, erklärt Prinoth. Diese Winde könnte dadurch ausgelöst werden, dass die Tagseite zwar gut 3.200 Grad heiß ist, die Nachtseite aber deutlich kühler.

Indizien für eine Schichtung

Doch das ist noch nicht alles: Die spektralen Signaturen der verschiedenen Elemente sind nicht alle auf gleiche Weise ins Blaue verschoben. So ist der Effekt bei Magnesium und Chrom stark ausgeprägt, bei Titan und Titanoxid hingegen nicht nachweisbar, wie die Analysen ergaben. „Da die Fingerabdrücke der verschiedenen Gase auf unterschiedliche Weise verändert wurden, deutet dies unserer Meinung nach darauf hin, dass sie in verschiedenen Schichten vorkommen“, sagt Prinoths Kollege Jens Hoeijmakers.

Sollte sich dies bestätigen, wäre das der erste Nachweis einer solchen geschichteten Atmosphäre um einen Exoplaneten. „In der Vergangenheit sind Astronomen oft davon ausgegangen, dass die Atmosphären von Exoplaneten als eine einheitliche Schicht existieren, und haben versucht, sie als solche zu verstehen“, so Hoeijmakers. „Unsere Ergebnisse zeigen aber, dass auch die Atmosphären von intensiv bestrahlten Gasriesenplaneten komplexe dreidimensionale Strukturen aufweisen.“

UV-Schutzschicht aus Titanoxid

Auch über eine spezielle Komponente der Gashülle von heißen Jupitern liefert die neue Studie mehr Aufschluss: Titanoxid. „Titanoxid absorbiert kurzwellige Strahlung, wie etwa ultraviolette Strahlung“, erklärt Koautor Kevin Heng von der Universität Bern. Schon länger gibt es Hinweise darauf, dass dieses Molekül in den heißen Atmosphäre solcher Gasriesen vorkommen könnte. „Frühere Beobachtungen hatten aber nur eine geringe Auflösung, so dass es schwer von anderen UV-Absorbern und systematischen Störeffekte zu unterscheiden war“, schreibt das Team.

Die hochauflösenden Spektralanalysen von CHEOPS und HARPS belegen nun jedoch eindeutig, dass die Gashülle von WASP-189b Titanoxid enthält. „Seine Entdeckung könnte auf eine Schicht in der Atmosphäre von WASP-189b hinweisen, die ähnlich wie die Ozonschicht auf der Erde mit der Sterneneinstrahlung interagiert“, erklärt Heng. (Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01581-z)

Quelle: Universität Bern

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