Astronomie Extreme Überschallwinde: Schnellster Jetstream seiner Art gemessen

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Forschende haben extrem starke Winde entdeckt, die den Äquator von WASP-127b, einem Riesen-Exoplaneten, heimsuchen. Mit Geschwindigkeiten von bis zu 33.000 km/h bilden die Winde den schnellsten Jetstream seiner Art, der jemals auf einem Planeten gemessen wurde.

Tornados, Zyklone und Hurrikane richten auf der Erde verheerende Schäden an, aber Forschende haben nun planetare Winde in einer völlig anderen Größenordnung entdeckt, und zwar weit außerhalb des Sonnensystems. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2016 untersuchen Astronomen das Wetter auf WASP-127b, einem Gasriesen-Planeten, der sich über 500 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Der Planet ist etwas größer als Jupiter, hat aber nur einen Bruchteil seiner Masse, wodurch er „aufgebläht“ erscheint. Ein internationales Team hat nun eine unerwartete Entdeckung gemacht: Auf dem Planeten toben Überschallwinde.

Heftiger Überschall-Jetstream

„Ein Teil der Atmosphäre dieses Planeten bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit auf uns zu, während sich ein anderer Teil mit derselben Geschwindigkeit von uns wegbewegt“, sagt Lisa Nortmann, Wissenschaftlerin an der Universität Göttingen und Hauptautorin der Studie. „Dieses Signal zeigt uns, dass um den Äquator des Planeten ein heftiger Überschall-Jetwind weht.“

Mit 9 Kilometern pro Sekunde (was fast 33.000 Kilometern pro Stunde entspricht) bewegen sich die Jetstreams fast sechsmal so schnell wie der Planet rotiert [1]. „Das ist etwas, das wir noch nie zuvor gesehen haben“, sagt Nortmann. Es handelt sich um den stärksten Sturm, der jemals in einem Jetstream gemessen wurde, der rund um einen Planeten zirkuliert. Im Vergleich dazu befand sich der schnellste Wind, der jemals im Sonnensystem gemessen wurde, auf dem Neptun. Er wehte „nur“ 0,5 Kilometern pro Sekunde (1.800 Kilometer pro Stunde).

Künstlerische Darstellung des Riesen-Exoplaneten WASP-127b in der Umlaufbahn um seinen Mutterstern und der Überschall-Jetwinde, die auf dem Planeten entdeckt wurden. Quelle: ESO/L. Calçada

Das Team kartierte das Wetter und die Zusammensetzung von WASP-127b mit dem CRIRES+-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile. Durch die Messung, wie sich das Licht des Muttersterns durch die obere Atmosphäre des Planeten ausbreitet, gelang es ihnen, seine Zusammensetzung zu ermitteln. Ihre Ergebnisse bestätigen das Vorhandensein von Wasserdampf- und Kohlenmonoxidmolekülen in der Atmosphäre des Planeten. Als sie jedoch die Geschwindigkeit dieses Materials in der Atmosphäre verfolgten, fanden sie – sehr zu ihrer Überraschung – zwei benachbarte Höchstwerte. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass sich eine Seite der Atmosphäre mit hoher Geschwindigkeit auf uns zu und die andere von uns weg bewegt. Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass starke Jetstream-Winde um den Äquator dieses unerwartete Ergebnis erklären würden.

Mit Instrumenten wie CRIRES+ am VLT der ESO können Astronominnen und Astronomen die Geschwindigkeit von Molekülen in Exoplanetenatmosphären messen. Diese Animation zeigt die Methode, mit der die Geschwindigkeit von Winden auf fernen Exoplaneten wie dem riesigen Gasplaneten WASP-127b, der etwa 520 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, ermittelt wird.

Wenn der Planet zwischen seinem Mutterstern und uns hindurchzieht, durchdringt das Licht des Sterns die Atmosphäre des Planeten, in der verschiedene Moleküle bestimmte Farben oder Wellenlängen absorbieren. Wenn sich diese Moleküle bewegen, werden diese absorbierten Farben zu bläulicheren Wellenlängen verschoben, wenn sich die Moleküle auf uns zu bewegen, und zu rötlicheren, wenn sie sich von uns wegbewegen.

Das Spektrum von WASP-127b zeigt ein Doppelmaximum, was bedeutet, dass sich ein Teil der Atmosphäre auf uns zu bewegt, während sich der andere Teil von uns wegbewegt. Mit anderen Worten: Es gibt Wind, der den Planeten umkreist. Je größer der Wellenlängenabstand zwischen den Maxima im Spektrum ist, desto schneller ist der Wind, der sich im Fall von WASP-127b mit beeindruckenden 9 Kilometern pro Sekunde bewegt.

Eine detailliertere Auswertung der Form dieser Linien ließ Astronomen darauf schließen, dass dieser schnelle Wind tatsächlich auf den Äquator des Planeten beschränkt ist – ein Jetstream. Quelle: ESO/L. Calçada

Planet weist wie die Erde komplexe Wettermuster auf

Bei der Erstellung ihrer Wetterkarte stellte das Team außerdem fest, dass die Pole kühler sind als der Rest des Planeten. Es gibt auch einen leichten Temperaturunterschied zwischen der Morgen- und der Abendseite von WASP-127b. „Das zeigt, dass der Planet komplexe Wettermuster aufweist, genau wie die Erde und andere Planeten unseres Sonnensystems“, fügt Fei Yan, Mitautor der Studie und Professor an der University of Science and Technology of China, hinzu.

Die Forschung auf dem Gebiet der Exoplaneten schreitet rasch voran. Bis vor wenigen Jahren konnten Astronomen nur die Masse und den Radius von Planeten außerhalb des Sonnensystems messen. Heute ermöglichen Teleskope wie das VLT der ESO den Wissenschaftlern bereits, das Wetter auf diesen fernen Welten zu dokumentieren und ihre Atmosphären zu analysieren. „Das Verständnis der Dynamik dieser Exoplaneten hilft uns, Mechanismen wie Wärmetransport und chemische Prozesse zu erforschen, unser Verständnis der Planetenentstehung zu verbessern und damit Einblicke in die Ursprünge unseres eigenen Sonnensystems zu gewinnen“, sagt David Cont von der Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland, und Mitautor des Artikels.

Interessanterweise können Studien wie diese derzeit nur von Observatorien auf dem Erdboden durchgeführt werden, da die Instrumente, die derzeit in Weltraumteleskopen zum Einsatz kommen, nicht über die erforderliche Geschwindigkeitspräzision verfügen. Das Extremely Large Telescope der ESO, das in der Nähe des VLT in Chile gebaut wird, und sein ANDES-Instrument werden es Forschenden ermöglichen, noch tiefer in die Wettermuster auf weit entfernten Planeten einzutauchen. „Das bedeutet, dass wir wahrscheinlich noch feinere Details der Windmuster bestimmen und diese Forschung auf kleinere Gesteinsplaneten ausweiten können“, so Nortmann abschließend

Endnoten

[1] Das Team hat die Rotationsgeschwindigkeit des Planeten zwar nicht direkt gemessen, geht aber davon aus, dass WASP-127b in einer gebundenen Rotation um den Stern kreist. Das bedeutet, dass der Planet genauso lange braucht, um sich um seine eigene Achse zu drehen, wie er braucht, um den Stern zu umkreisen. Da sie wissen, wie groß der Planet ist und wie lange er für einen Umlauf um seinen Stern braucht, können sie daraus schließen, wie schnell er sich dreht.

Originalpublikation: L. Nortmann et al., CRIRES+ transmission spectroscopy of WASP-127 b Detection of the resolved signatures of a supersonic equatorial jet and cool poles in a hot planet, Astronomy & Astrophysics (2025)doi: 10.1051/0004-6361/202450438 (xx)

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