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Spektroskopie bestätigt Stratosphäre

Erstmals Riesenplanet mit Stratosphäre entdeckt

| Redakteur: Marc Platthaus

Der Exoplanet WASP-121b in einer künstlerischen Darstellung. Es ist ein heißer Jupiter, dessen Schillern zeigt, dass er von einer wasserhaltigen Atmosphäre umgeben ist. Er umkreist seinen Stern in so kurzer Entfernung, das eine gezeitenabhängige Ausbuchtung entsteht.
Der Exoplanet WASP-121b in einer künstlerischen Darstellung. Es ist ein heißer Jupiter, dessen Schillern zeigt, dass er von einer wasserhaltigen Atmosphäre umgeben ist. Er umkreist seinen Stern in so kurzer Entfernung, das eine gezeitenabhängige Ausbuchtung entsteht. (Bild: Space Telescope Science Institute (STScI))

Er befindet sich gut 900 Lichtjahre, oder 8,5 Billiarden Kilometer, von der Erde entfernt und ist der erste seiner Art: Ein internationales Wissenschaftsteam hat erstmals einen Exoplaneten mit einer Stratosphäre entdeckt. Warum die Spektroskopie hierfür entscheidend war, lesen Sie in diesem Beitrag.

Berlin – Ein internationales Team von Forschenden entdeckte während einer Beobachtungsphase mit dem NASA Hubble Space Telescope glühende Wassermoleküle in der Atmosphäre des Exoplaneten WASP-121b: Das erste klare Signal für das Vorhandensein einer umgebenden Stratosphäre. Als Exoplaneten werden Planeten bezeichnet, die außerhalb unseres Sonnensystems um einen Fixstern kreisen. Das Team wird geleitet von der University of Exeter, Großbritannien. Co-Autor der im August veröffentlichten Publikation ist Dr. Antonio García Muñoz vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin.

Farbspektrum nachgewiesen

Das Forschungsteam untersuchte die Stratosphäre des Gas-Giganten WASP-121b per Spektroskopie-Analyse. Die Stratosphäre ist eine atmosphärische Schicht rund um einen Planeten, in der die Temperatur mit zunehmender Höhe ansteigt. Untersucht wurde, wie sich die Helligkeit des Planeten bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts verändert. Hintergrund ist das vorhersagbare Verhalten von Wasserdampf bei verschiedenen Wellenlängen, je nach Wassertemperatur. Bei niedrigeren Temperaturen blockiert der Wasserdampf das Licht darunter. Steigt die Temperatur allerdings, beginnen die Wassermoleküle zu leuchten.

„Das Phänomen ähnelt den Vorgängen bei einem Feuerwerk“, erklären die Forscher. „Die bunten Farben entstehen durch Licht emittierende Chemikalien. Wenn metallische Substanzen erhitzt und vaporisiert werden, wechseln die Elektronen in einen anderen energetischen Zustand. Je nach Material, emittieren diese Elektronen dann Licht einer bestimmten Wellenlänge, wenn sie Energie verlieren.“ Beispielsweise produziere Natrium orange-gelbes Licht und Strontium rotes.

Auch die Wassermoleküle in der Atmosphäre von WASP-121b strahlen Licht ab, während sie Energie verlieren, allerdings als Infrarotlicht, unsichtbar für das menschliche Auge.

Ein „Heißer Jupiter“ mit 2500 Grad Celsius

„Aus theoretischen Modellen wissen wir, das Stratosphären auf eine spezielle Klasse ultraheißer Exoplaneten hinweisen, was wiederum auf wichtige physikalische und chemische Zusammensetzungen der Atmosphäre schließen lässt“, erklärt Dr. Tom Evans, Hauptautor und Forschungsstipendiat an der University of Exeter. „Als wir Hubble auf WASP-121b richteten, sahen wir leuchtende Wassermoleküle, woraus wir schließen konnten, dass der Planet eine starke Stratosphäre aufweist.“

WASP-121b zieht seine Bahnen um seinen Stern etwa 900 Lichtjahre von der Erde entfernt. Es ist ein Gasriese, auch bezeichnet als „Hot Jupiter“ (Heißer Jupiter), wenngleich er auch mehr Masse und einen größeren Umfang hat als der Jupiter in unserem Planetensystem. Er umkreist seinen Stern in 1,3 Tagen und zwar mit der kleinsten Distanz, die möglich ist, ohne dass er von seinem Stern zerrissen wird. Seine Nähe zu dem Stern beschert ihm allerdings auch atmosphärische Temperaturen von 2500 Grad Celsius, einer Temperatur, die Eisen zum Schmelzen bringt.

800 Beobachtungsstunden am Hubble-Teleskop

Forschungen der vergangenen zehn Jahre ließen bereits vermuten, dass einige Exoplaneten Stratosphären aufweisen, doch die vorliegenden Ergebnisse weisen erstmalig leuchtende Wassermoleküle nach, ein unwiderlegbares Signal für das Vorhandensein einer Stratosphäre bei einem Exoplaneten. Den Forschern standen 800 Beobachtungsstunden mit dem Hubble-Teleskop zur Verfügung.

Erst vor wenigen Wochen genehmigte die Europäische Weltraumbehörde ESA die Weiterentwicklung des europäischen Weltraumteleskops PLATO, der sich ab 2025 auf die Suche nach Exoplaneten begeben soll, auf denen Leben möglich ist, und der die Exoplanetenforschung weiter voranbringen wird. Prof. Dr. Heike Rauer vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin leitet das Baukonsortium.

Originalpublikation: Thomas M. Evans, David K. Sing, Tiffany Kataria, Jayesh Goyal, Nikolay Nikolov, Hannah R. Wakeford, Drake Deming, Mark S. Marley, David S. Amundsen, Gilda E. Ballester, Joanna K. Barstow, Lotfi Ben-Jaffel, Vincent Bourrier, Lars A. Buchhave, Ofer Cohen, David Ehrenreich, Antonio García Muñoz, Gregory W. Henry, Heather Knutson, Panayotis Lavvas, Alain Lecavelier des Etangs, Nikole K. Lewis, Mercedes López-Morales, Avi M. Mandell, Jorge Sanz-Forcada, Pascal Tremblin & Roxana Lupu; An ultrahot gas-giant exoplanet with a stratosphere; Nature 548, 58–61 (03 August 2017); doi:10.1038/nature23266

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