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Das eigentümliche Wetter auf WASP-121 b
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
22. Februar 2022
Mithilfe des Weltraumteleskops Hubble wurden nun
erstmals die atmosphärischen Bedingungen auf der Nachtseite des heißen Jupiter
WASP-121 b detailliert untersucht. Dabei zeigte sich, dass es auf der fernen
Welt faszinierende Wetterphänomene geben könnte: So wäre auf der Nachtseite des
Planeten ein Regen aus flüssigen Edelsteinen denkbar.
Künstlerische Darstellung des Exoplaneten
WASP-121 b.
Bild: Patricia Klein und MPIA [Großansicht] |
Mit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern
umkreist, wurde vor mehr als 25 Jahren eine neue und exotische Planetenklasse
eingeführt: der heiße Jupiter. Heiße Jupiter sind jupiterähnliche
Riesengasplaneten auf engen Bahnen um ihre Zentralsterne, die nur durch wenige
Sterndurchmesser voneinander getrennt sind. Aufgrund ihrer Nähe heizt die
Strahlung des Sterns den Planeten auf mehrere hundert bis einige tausend Grad
Celsius auf. Von den fast 5000 bekannten Exoplaneten sind mehr als 300 solche
heißen Jupiter.
Mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops studierte nun ein
internationales Forschungsteam unter der Leitung von Thomas Mikal-Evans vom
Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg die atmosphärischen
Eigenschaften des heißen Jupiters WASP-121 b. Astronomen hatten diesen
Exoplaneten 2015 im Sternbild Puppis in einer Entfernung von 855 Lichtjahren
entdeckt. Seine Masse ist etwa 20 Prozent größer als die des Jupiters, während
WASP-121 b einen fast doppelt so großen Durchmesser hat.
"Trotz der Entdeckung von Tausenden von Exoplaneten konnten wir bisher
nur die Atmosphären eines kleinen Teils der Planeten untersuchen, da die
Beobachtungen sehr schwierig sind", erklärt Mikal-Evans. "Bisher haben die
meisten dieser Messungen nur begrenzte Informationen geliefert, wie z. B.
grundlegende Details über die chemische Zusammensetzung oder die
durchschnittliche Temperatur in bestimmten Unterregionen der Atmosphäre."
Die neuen Beobachtungen ermöglichten den Astronomen den bisher
detailliertesten Einblick in die Bedingungen auf der Nachtseite eines
Exoplaneten. Wie bei allen heißen Jupitern ist die Rotation von WASP-121 b durch
Gezeitenkräfte an seine Umlaufbahn um seinen Mutterstern gebunden. Eine
30-stündige Umrundung des Sterns benötigt daher die gleiche Zeit, die der Planet
braucht, um sich einmal um seine Achse zu drehen. Folglich ist die dem Stern
zugewandte Hemisphäre immer der glühend heißen Oberfläche des Sterns ausgesetzt.
Gleichzeitig weist die kühlere Nachtseite ständig in den kalten und dunklen
Weltraum.
Durch die Zusammenführung der Daten von beiden Seiten ergibt die Auswertung
des Teams erstmals ein umfassendes Bild davon, wie die Atmosphäre eines
Exoplaneten als globales System funktioniert. "Um die gesamte Oberfläche von
WASP-121 b zu untersuchen, haben wir mit Hubble Spektren während zweier
kompletter Planetenumläufe aufgenommen", erklärt David Sing von der Johns
Hopkins University im US-amerikanischen Baltimore. Mit dieser Technik und
unterstützt durch die Modellierung der Daten hat die Gruppe die obere Atmosphäre
von WASP-121 b über den gesamten Planeten hinweg untersucht und dabei zum ersten
Mal den kompletten Wasserkreislauf eines Exoplaneten beobachtet.
Auf der Erde ändert das Wasser ständig seinen Aggregatzustand. Festes Eis
schmilzt zu flüssigem Wasser. Das Wasser verdampft zu Gas und kondensiert dann
zu Tröpfchen, die Wolken bilden. Der Kreislauf schließt sich, wenn diese
Tröpfchen zu Regentropfen heranwachsen, die schließlich herunterfallen und
Flüsse und Ozeane speisen. Die neuen Hubble-Daten offenbaren jedoch einen
Wasserkreislauf auf WASP-121 b, der völlig anders aussieht: Auf der Seite des
Planeten, die dem Zentralstern zugewandt ist, wird die obere Atmosphäre bis zu
3000 Grad Celsius heiß. Bei solchen Temperaturen beginnt das Wasser zu glühen,
und viele der Moleküle zerfallen sogar in ihre atomaren Bestandteile.
Die Hubble-Daten zeigen auch, dass die Temperatur auf der Nachtseite um etwa
1500 Grad Celsius sinkt. Dieser extreme Temperaturunterschied zwischen den
beiden Hemisphären führt zu starken Winden, die den gesamten Planeten von Westen
nach Osten umwehen und die aufgebrochenen Wassermoleküle mitreißen. Schließlich
erreichen sie die Nachtseite. Die niedrigeren Temperaturen ermöglichen es den
Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, sich wieder zu verbinden und Wasserdampf zu
bilden, bevor sie wieder auf die Tagseite geweht werden und der Zyklus sich
wiederholt. Die Temperaturen sinken nie so weit ab, dass sich während des
gesamten Zyklus Wasserwolken bilden können, geschweige denn Regen.
Anstelle von Wasser bestehen die Wolken auf WASP-121 b hauptsächlich aus
Metallen wie Eisen, Magnesium, Chrom und Vanadium. Frühere Beobachtungen haben
die spektralen Signale dieser Metalle als Gase auf der heißen Tagseite
nachgewiesen. Die neuen Hubble-Daten deuten darauf hin, dass die Temperaturen
tief genug sinken, damit die Metalle auf der Nachtseite zu Wolken kondensieren
können. Die gleichen ostwärts gerichteten Winde, die den Wasserdampf über die
Nachtseite tragen, würden auch diese Metallwolken zurück auf die Tagseite
blasen, wo sie erneut verdampfen.
Seltsamerweise waren Aluminium und Titan nicht unter den Gasen, die in
der Atmosphäre von WASP-121 b nachgewiesen wurden. Eine wahrscheinliche
Erklärung dafür ist, dass diese Metalle kondensiert und in tiefere Schichten der
Atmosphäre geregnet sind, die für Beobachtungen nicht zugänglich sind. Dieser
Regen wäre mit keinem anderen im Sonnensystem bekannten Regen vergleichbar. So
kondensiert beispielsweise Aluminium mit Sauerstoff und bildet die Verbindung
Korund. Mit Verunreinigungen aus Chrom, Eisen, Titan oder Vanadium ist er uns
als Rubin oder Saphir bekannt. Auf der Nachtseite von WASP-121 b könnte es also
flüssige Edelsteine regnen.
"Es ist aufregend, Planeten wie WASP-121 b zu untersuchen, die sich sehr von
denen in unserem Sonnensystem unterscheiden, denn sie ermöglichen es uns zu
lernen, wie sich Atmosphären unter extremen Bedingungen verhalten", sagt Joanna
Barstow von der Open University im britischen Milton Keynes. Und Mikal-Evans
fügt hinzu: "Um diesen Planeten besser zu verstehen, werden wir ihn mit dem
James-Webb-Weltraumteleskop innerhalb des ersten Jahres seines Betriebs
beobachten." Durch das Einbeziehen von Wellenlängen, die über die Reichweite von
Hubble hinausgehen, kann das Team die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre
bestimmen, was Aufschluss darüber geben könnte, wie und wo WASP-121 b in der
protoplanetaren Scheibe entstanden ist. Die Messungen werden sogar genau genug
sein, um etwas über die Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen innerhalb
der Atmosphäre zu erfahren.
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.
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