Die Entdeckung eines Exoplaneten ist eine Sache dessen Erforschung eine völlig andere. Da die Himmelskörper für die Erforschung per Raumsonde zu weit entfernt sind, müssen leistungsstarke Teleskope und Spektroskope verwendet werden, um die Beschaffenheit der Exoplaneten aus der Ferne zu analysieren. Ein solches Instrument ist das Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST).

Spektroskopie von Exoplaneten

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

Ein „flauschiges“ Studienobjekt

Eine der fremden Welten, die damit untersucht werden, ist WASP-107b: Dieser gasförmige Exoplanet umkreist einen Stern, der etwas kühler und weniger massiv ist als unsere Sonne. Der Planet hat eine ähnliche Masse wie Neptun, ist aber fast so groß wie Jupiter und damit im Vergleich zu den Gasriesenplaneten in unserem Sonnensystem ein eher „flauschiger“ Gasplanet mit geringerer Dichte.

Die Flauschigkeit dieses Exoplaneten ermöglicht es Astronomen, etwa 50-mal tiefer in seine Atmosphäre zu blicken, als dies bei einem Riesen des Sonnensystems wie Jupiter möglich ist. So lässt sich die komplexe chemische Zusammensetzung der Atmosphäre analysieren, da die Signale oder spektralen Merkmale in einer weniger dichten Atmosphäre ausgeprägter sind als in einer kompakteren Atmosphäre.

Keine Spur von Methan

In einer nun in Nature veröffentlichten Studie berichtet ein Forscherteam mit Beteiligung der Universität Wien über den Nachweis von Wasserdampf, Schwefeldioxid (SO₂) und Silikatwolken auf WASP-107b. Bemerkenswert ist, dass dabei keine Spur des Treibhausgases Methan (CH₄) zu finden war. „Erstens deutet das Fehlen von Methan auf ein möglicherweise warmes Inneres hin und bietet einen spannenden Einblick in die Bewegung von Wärmeenergie in der Atmosphäre des Planeten“, erklärt Manuel Güdel, Astrophysiker der Universität Wien und einer der Entwickler des Infrarotmessgerätes MIRI.

„Zweitens war die Entdeckung von Schwefeldioxid eine große Überraschung“, fährt Güdel fort. Frühere Modelle hatten dessen Abwesenheit vorhergesagt, aber neue Klimamodelle der Atmosphäre von WASP-107b zeigen nun, dass gerade dessen „Flauschigkeit“ die Bildung von Schwefeldioxid in seiner Atmosphäre begünstigt.

Obwohl sein Wirtsstern eher kühlerer Natur ist und daher nur einen relativ geringen Anteil an hochenergetischen Photonen aussendet, können diese Photonen dank der geringeren Planetendichte tief in die Atmosphäre von WASP-107b eindringen. Dadurch werden die chemischen Reaktionen ermöglicht, die für die Bildung von Schwefeldioxid erforderlich sind.

Transmissionsspektrum des warmen Neptun-Exoplaneten WASP-107b

Das Low-Resolution Spectrometer (LRS) des Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST) hat die Atmosphären-Zusammenensetzung des Exoplaneten WASP-107b analysiert. Das aufgenommene Transmissionsspektrum zeigt Hinweise auf Wasserdampf, Schwefeldioxid und Silikatwolken (Sand) in der Atmosphäre des Planeten. Doch wie ermittelt man die Gaszusammensetzung eines Hunderte Lichtjahre entfernten Planeten?

Astronomen messen zunächst das Licht des Zentralsterns, wenn der Exoplanet sich außerhalb des Transits befindet. Dies ist das Licht des Sterns im Ausgangszustand, also die Basislinie des Messsignals. Wenn der Exoplanet vor seinem Wirtsstern vorbeizieht, blockiert er teilweise das Sternenlicht. Ein Teil des Sternenlichts dringt während dieser Zeit durch die Atmosphäre des Exoplaneten. MIRI registriert das Gesamtlicht (Sternenlicht plus Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Exoplaneten dringt) während des Transits. Für jede Wellenlänge berechnen die Wissenschaftler den Anteil des Sternenlichts, der durch den Planeten und seine Atmosphäre (weiße Kreise in der Grafik) blockiert wird, indem sie das Sternenlicht der Ausgangssituation von dem während des Transits gemessenen Gesamtlicht abziehen.

Das Spektrum in der hier gezeigten Abbildung deckt Wellenlängen zwischen 4,61 und 11,83 Mikrometern ab. Die Daten werden durch Hubble-Daten ergänzt, die einen Bereich zwischen 1,1 und 1,7 Mikrometern abdecken Die durchgezogene orangefarbene Linie ist die beste Anpassung des physikalischen Modells an die JWST- und Hubble-Daten. Die schattierten Bereiche zeigen den Beitrag von Wasserdampf (in rot), Schwefeldioxid (in blau) und Sandwolken (in gelb) zum Modell, das am besten mit den Daten vereinbar ist.

Wolken aus Sand

Eine weitere Entdeckung der neuen Studie: Wolken in großer Höhe verdecken teilweise den Wasserdampf und das Schwefeldioxid in der Atmosphäre. Während Wolken auf anderen Exoplaneten bereits vermutet wurden, ist den Astronomen in diesem Fall zum ersten Mal gelungen, die chemische Zusammensetzung dieser Wolken definitiv zu bestimmen. Die Wolken von WASP-107b bestehen demnach u. a. aus kleinen Silikatpartikeln, wie sie von der Erde aus Sand bekannt sind. „Die Entdeckung von Wolken aus Sand, Wasser und Schwefeldioxid auf diesem flauschigen Exoplaneten durch das MIRI-Instrument von JWST ist ein entscheidender Meilenstein. Sie verändert unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Planeten und wirft ein neues Licht auf unser eigenes Sonnensystem“, sagt Güdel.

Eine Animation des heißen Gasplaneten WASP-107b und seines Sterns hat das Institute of Astronomy, KU Leuven (Belgium) auf Youtube veröffentlicht:

Im Gegensatz zur Erdatmosphäre, in der Wasser bei niedrigen Temperaturen gefriert, sind Gasplaneten mit Temperaturen um 1.000 Grad Celsius viel heißer. In diesem Temperaturbereich sind es Silikate, die ausfrieren und Wolken bilden können.

Auf WASP-107b mit einer Temperatur von rund 500 Grad Celsius in der äußeren Atmosphäre sollten sich diese Silikatwolken nach herkömmlichen Modellen jedoch tiefer in der Atmosphäre bilden, wo die Temperaturen wesentlich höher sind. Außerdem regnen Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre ab. Wie ist es dann möglich, dass diese Sandwolken in großen Höhen existieren und fortbestehen?

„Die Tatsache, dass wir diese Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre sehen, muss bedeuten, dass die Sandregentropfen in tieferen, sehr heißen Schichten verdampfen und der dabei entstehende Silikatdampf effizient wieder nach oben transportiert wird, wo er sich erneut zu Silikatwolken verdichtet“, erklärt Michiel Min, Hauptautor der Studie, vom SRON Netherlands Institute for Space Research. „Dies ist dem Wasserdampf- und Wolkenzyklus auf unserer Erde sehr ähnlich, allerdings mit Tröpfchen aus Sand.“ Dieser kontinuierliche Zyklus von Sublimation und Kondensation durch vertikalen Transport ist demnach verantwortlich für die dauerhafte Präsenz von Sandwolken in der Atmosphäre von WASP-107b.

Originalpublikation: Dyrek, A., Min, M., Decin, L. et al.: SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune, Nature (2023); 10.1038/s41586-023-06849-0

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