Unter Verwendung des Weltraumteleskops Hubble hat ein Forschungsteam die bislang detailreichste, globale Karte eines stürmischen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erstellt. Die Karte enthüllt die Geheimnisse seiner Atmosphärentemperatur und seines Wasserdampfs.
Die Hubble-Beobachtungen zeigen, dass der Exoplanet mit der Bezeichnung WASP-43b kein Ort ist, den man Zuhause nennen kann. Er ist eine Welt der Extreme, auf der kochend heiße Winde mit Schallgeschwindigkeit von einer 1.650 Grad Celsius heißen Tagseite (heiß genug, um Stahl zu schmelzen) zu einer rabenschwarzen Nachtseite strömen, wo die Temperaturen unter 540 Grad Celsius fallen.
Astronomen haben die Temperaturen in verschiedenen Schichten der Planetenatmosphäre kartiert und die Menge und die Verteilung von Wasserdampf gemessen. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf unser Verständnis von atmosphärischen Dynamiken und darauf, wie jupiterähnliche Riesenplaneten entstehen. „Diese Messungen haben die Tür zu neuen Möglichkeiten geöffnet, um die Eigenschaften von verschiedenen Planetentypen zu vergleichen“, sagte der Teamleiter Jacob Bean von der University of Chicago.
WASP-43b wurde im Jahr 2011 entdeckt und ist etwa 260 Lichtjahre entfernt. Der Exoplanet ist zu weit entfernt, um fotografiert zu werden, aber weil seine Umlaufbahn von der Erde aus in Kantenstellung beobachtet wird, registrierten Astronomen ihn durch die Beobachtung von regelmäßigen Helligkeitsabfällen im Licht seines Zentralsterns, wenn er vor selbigem vorbeizieht. „Unsere Beobachtungen sind die ersten ihrer Art, was die Erstellung einer zweidimensionalen Karte mit Längen- und Breitengraden von der thermalen Struktur des Exoplaneten betrifft. Sie kann verwendet werden, um die atmosphärische Zirkulation und dynamische Modelle für heiße Exoplaneten abzuleiten“, sagte Teammitglied Kevin Stevenson von der University of Chicago.
Da der Exoplanet eine heiße Kugel aus hauptsächlich Wasserstoffgas ist, zeigen sich dort keine Oberflächenstrukturen wie Ozeane oder Kontinente, die für die Messung seiner Rotation benutzt werden könnten. Nur der große Temperaturunterschied zwischen der Tagseite und der Nachtseite kann von einem entfernten Beobachter herangezogen werden, um den Lauf eines Tages auf dieser Welt festzuhalten. Der Exoplanet ist etwa so groß wie Jupiter, besitzt aber fast die doppelte Dichte. Er befindet sich so nah an seinem orangefarbenen Zwergstern, dass er eine Umkreisung in nur 19 Stunden vollzieht. Der Exoplanet ist zudem gravitativ gebunden, sodass eine Hemisphäre immer dem Stern zugewandt ist, so wie unser Mond der Erde immer dieselbe Seite zeigt.
Dies war das erste Mal, dass Astronomen drei komplette Umdrehungen eines Exoplaneten beobachten konnten, was über einen Zeitraum von vier Tagen geschah. Die Wissenschaftler kombinierten zwei bekannte Methoden zur Analyse von Exoplaneten zu einer einmaligen Technik, um die Atmosphäre von WASP-43b zu untersuchen. Sie benutzten Spektroskopie, welche das Licht des Exoplaneten in seine unterschiedlichen Farben zerlegt, um die Menge des Wassers und die Temperaturen in der Atmosphäre zu bestimmen. Durch die Beobachtung der Planetenrotation konnten die Astronomen außerdem präzise messen, wie das Wasser in den verschiedenen Längengraden verteilt ist.
Weil es in unserem Sonnensystem keinen Planeten mit solchen Bedingungen gibt, bietet die Charakterisierung der Atmosphäre auf einer so bizarren Welt ein einmaliges Labor, um die Entstehung von Planeten und die planetare Physik besser zu verstehen. „Der Exoplanet ist so heiß, dass all das Wasser in seiner Atmosphäre verdampft ist und nicht wie auf Jupiter zu Eiswolken kondensiert“, sagte Teammitglied Laura Kreidberg von der University of Chicago.
Die Wassermenge auf den Riesenplaneten in unserem Sonnensystem ist nicht genau bekannt, weil das Wasser, das von den oberen Atmosphären kalter Gasriesen wie Jupiter niederschlägt, als Eis vorliegt und verborgen ist. Aber auf sogenannten „heißen Jupitern“ (Gasriesen mit hohen Oberflächentemperaturen aufgrund ihrer Nähe zu ihren Zentralsternen) liegt Wasser als Dampf vor, der leicht verfolgt werden kann. „Man vermutet, dass Wasser eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Riesenplaneten spielt, weil kometenähnliche Körper junge Planeten bombardieren und den Großteil des Wassers und andere Moleküle, die wir beobachten können, auf den Planeten bringen“, sagte Jonathan Fortney, ein Mitglied des Teams von der University of California in Santa Cruz.
Um zu verstehen, wie Riesenplaneten entstehen, wollen Astronomen wissen, wie stark angereichert verschiedene Elemente in ihnen sind. Das Team stellte fest, dass WASP-43b etwa die gleiche Menge Wasser besitzt, die wir bei einem Objekt mit derselben chemischen Zusammensetzung wie bei unserer Sonne erwarten würden. Das wirft Licht auf die grundlegenden Vorgänge, wie der Planet entstand. Das Team plant als nächsten Schritt, die Häufigkeit von Wasser auf anderen Planeten zu messen. Die Ergebnisse werden in zwei neuen Abhandlungen präsentiert – eine erschien am 9. Oktober 2014 online in Science Express und die andere wurde am 12. September 2014 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Das Weltraumteleskop Hubble ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA, und der European Space Agency (ESA). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) betreibt das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore führt die wissenschaftlichen Operationen Hubbles durch. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. in Washington für die NASA geleitet.
(THK)
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