Spektroskopie von Exoplaneten Es liegt Barium in der Luft – die seltsame Atmosphäre fremder Planeten

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Max-Planck-Institut für Astronomie für Astronomie

Das bislang schwerste Element in der Atmosphäre eines Exoplaneten haben Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) entdeckt: Barium. Damit zeigen die Forscher, welche Bedeutung spektroskopische Methoden für die Erforschung des Alls haben und welche außergewöhnlichen Bedingungen auf Exoplaneten herrschen.

78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 0,9 % Argon, dazu ein wachsender Anteil von 0,04 % Kohlenstoffdioxid sowie diverse weitere Spurengase: Das ist sie, die Atmosphäre unserer Erde. Obwohl man sie nicht sieht, haben Wissenschaftler schon dem 18 Jahrhundert erste Fortschritte gemacht, Luft als Gemisch verschiedener Gase zu erkennen. Mit der Entwicklung spektroskopischer Methoden gelang das Studium unserer eigenen Atmosphäre dann deutlich besser, und Massenspektrometer können die Luft heute bis in ihre Spurenelemente aufschlüsseln. Das alles wundert heutzutage wohl niemanden mehr.

Atmosphäre eines Exoplaneten durchleuchtet

Wie findet man Gas auf fremden Planeten?

Wenn es aber nicht um die Erdatmosphäre geht, sondern um die Atmosphäre von entfernten Planeten, mag es einen in Staunen versetzen, mit welcher Präzision selbst dort die Atmosphäre zu bestimmen ist – und das basierend auf spektroskopischen Methoden, wie sie schon seit über 150 Jahren genutzt werden. Einen besonderen Fortschritt haben nun Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) erzielt: Mithilfe des Very Large Telescope (VLT) entdeckten sie das schwerste Element, das jemals in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden wurde: Barium. Ort der Entdeckung waren die großen Höhen der ultraheißen Gasriesen Wasp-76 b und Wasp-121 b – zwei Exoplaneten, also Planeten, die um Sterne außerhalb unseres Sonnensystems kreisen. Dieser unerwartete Fund gibt nun Rätsel darüber auf, wie diese exotischen Atmosphären beschaffen sein könnten.

„Das eigentlich Rätselhafte und Paradoxe ist: Warum befindet sich ein so schweres Element in den oberen Schichten der Atmosphäre dieser Planeten?“, sagt Tomás Azevedo Silva, Doktorand an der Universität Porto und dem Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) in Portugal, der die Studie leitete.

Die Animation auf dem Youtube-Kanal von Eso veranschaulicht, wie mithilfe spektroskopischer Methoden Barium in der Atmosphäre der Exoplaneten entdeckt wurde:

Exoten im All

Wasp-76 b und Wasp-121 b sind keine gewöhnlichen Exoplaneten. Beide sind als ultraheiße Jupiter bekannt, da sie von der Größe her mit dem Jupiter vergleichbar sind und gleichzeitig extrem hohe Oberflächentemperaturen von über 1.000 °C aufweisen. Die Ursache dafür ist die Nähe zu ihren Wirtssternen, was auch bedeutet, dass ein Umlauf um den jeweiligen Stern nur ein bis zwei Tage dauert. Dies führt zu recht exotischen Eigenschaften dieser Planeten; bei WASP-76 b vermuten die Astronomen beispielsweise, dass es Eisen regnet.

Dennoch waren die Wissenschaftler überrascht, in den oberen Atmosphären von Wasp-76 b und Wasp-121 b Barium zu finden, das 2,5 Mal schwerer ist als Eisen. „Angesichts der hohen Schwerkraft der Planeten würden wir erwarten, dass schwere Elemente wie Barium schnell in die unteren Schichten der Atmosphäre fallen“, erklärt Koautor Olivier Demangeon, ebenfalls Forscher an der Universität Porto und am IA.

„In gewisser Weise war das eine ‚zufällige‘ Entdeckung, sagt Studienleiter Silva. „Wir hatten Barium weder erwartet noch danach gesucht. Wir mussten uns vergewissern, dass es tatsächlich von dem Planeten stammt, da es noch nie zuvor in einem Exoplaneten nachgewiesen worden war.“

Ultraheiße Jupiter erleichtern die Atmosphärenforschung

Die Tatsache, dass Barium in den Atmosphären dieser beiden ultraheißen Jupiter nachgewiesen wurde, deutet darauf hin, dass diese Planetenkategorie noch sonderbarer sein könnte, als bisher angenommen. Obwohl wir Barium gelegentlich an unserem eigenen Himmel als leuchtend grüne Farbe in Feuerwerkskörpern sehen, stellt sich für die Forscher die Frage, welcher natürliche Prozess dazu führen könnte, dass dieses schwere Element in diesen Exoplaneten in so großen Höhen vorkommt. „Derzeit sind wir uns über die Mechanismen noch nicht im Klaren“, sagt Koautor Demangeon.

Die Exoplaneten Wasp-76 b und Wasp-121 b

Wasp-76 b

• Entdeckungsjahr: 2013

• Ort: Sternbild Fische

• Entfernung zur Erde: 640 Lichtjahre

• Umrundung seines Sterns: 1,8 Tage

• Temperatur: Tagseite: 2.400 °C, Nachtseite: 1.300 °C

• Die extremen Bedingungen sorgen dafür, dass es auf dem Planeten Eisen regnet

Wasp-121 b

• Entdeckungsjahr: 2015

• Ort: Sternbild Achterdeck des Schiffs (Puppis)

• Entfernung zur Erde: 850 Lichtjahre

• Umrundung seines Sterns: 1,3 Tage

• Temperatur: Tagseite: 3.000 °C, Nachtseite: 1.500 °C

• Wasp-121b ist der erste Exoplanet, bei dem Wasser in der Stratosphäre eines extrasolaren Planeten gefunden wurde.

Für die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten sind die ultraheißen Jupiter äußerst nützlich. „Da sie gasförmig und heiß sind, dehnen sich ihre Atmosphären sehr weit aus und sind daher leichter zu beobachten und zu untersuchen als die von kleineren oder kühleren Planeten“, erklärt der Astronom.

Die Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten erfordert eine spezielle Ausrüstung. Das Team nutzte das „Espresso-Instrument“ am VLT der ESO in Chile, um Sternenlicht zu analysieren, das durch die Atmosphären von Wasp-76 b und Wasp-121 b gefiltert worden war.

Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass es noch viele Geheimnisse bei Exoplaneten zu entdecken gibt. Mit zukünftigen Instrumenten wie dem hochauflösenden Armazones High Dispersion Echelle Spectrograph (Andes) werden die Astronomen in der Lage sein, die Atmosphären von großen und kleinen Exoplaneten, einschließlich der Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten, sehr viel eingehender zu erforschen. Andes wird am kommenden Extremely Large Telescope (ELT) der ESO zum Einsatz kommen. So können sie weitere Hinweise auf die Eigenschaften dieser seltsamen Welten sammeln.

Originalpublikation: T. Azevedo Silva et al.: Detection of Barium in the atmospheres of ultra-hot gas giants WASP-76b & WASP-121b, A&A proofs,September 6, 2022

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