Ein von der NASA geleitetes Team hat Belege dafür gefunden, dass der Riesenplanet WASP-18b in eine drückende Stratosphäre mit Kohlenstoffmonoxid und ohne Wasser eingehüllt ist. Die Ergebnisse gehen aus einer neuen Analyse von Beobachtungen hervor, die mit den Weltraumteleskopen Hubble und Spitzer durchgeführt wurden.
Die Bildung einer Stratosphärenschicht in der Atmosphäre eines Planeten geht auf Moleküle zurück, die ultraviolette Strahlung und sichtbares Licht des Sterns absorbieren und diese Energie dann als Wärme freisetzen. Die neue Studie spricht dafür, dass der heiße Jupiter WASP-18b (ein massereicher Planet, der seinen Zentralstern in geringer Entfernung umkreist) eine ungewöhnliche Zusammensetzung besitzt. Demnach könnte die Entstehung dieser Welt ganz anders abgelaufen sein als die Entstehung Jupiters oder von Gasriesen in anderen Planetensystemen.
“Die Zusammensetzung von WASP-18b widerspricht allen Erwartungen”, sagte Kyle Sheppard vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland), der Hauptautor der Studie, die in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde. “Wir kennen keinen anderen Exoplaneten, wo Kohlenstoffmonoxid die obere Atmosphäre so komplett dominiert.”
Auf der Erde absorbiert Ozon ultraviolettes Licht in der Stratosphäre und schützt unsere Welt vor einem Großteil der schädlichen Sonnenstrahlung. Bei der Handvoll Exoplaneten mit Stratosphären ist der Absorber normalerweise ein Molekül wie Titanoxid, ein enger Verwandter von Titandioxid, das auf der Erde als Farbpigment und Bestandteil von Sonnencreme verwendet wird.
Die Forscher betrachteten im Rahmen eines Programms zur Auffindung von Exoplaneten mit Stratosphären Daten über WASP-18b, der rund 325 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Der Planet besitzt ungefähr die zehnfache Jupitermasse und wurde wiederholt beobachtet, was den Astronomen erlaubte, eine relativ große Datenmenge zu sammeln. Diese Studie analysierte fünf Bedeckungen aus archivierten Hubble-Daten und zwei von Spitzer.
Anhand des Lichts, das die planetare Atmosphäre in infraroten Wellenlängen jenseits des sichtbaren Bereichs emittiert, ist es möglich, die spektralen Fingerabdrücke von Wasser und einigen anderen wichtigen Molekülen zu identifizieren. Die Analyse enthüllte die spezielle Signatur von WASP-18b, die keinem bislang untersuchten Exoplaneten glich. Um festzustellen, welche Moleküle ihr höchstwahrscheinlich entsprechen, führte das Team umfangreiche Computersimulationen durch.
“Die einzige konsistente Erklärung für die Daten ist neben dem Vorhandensein einer Stratosphäre ein Überfluss an Kohlenstoffmonoxid und sehr wenig Wasserdampf in der Atmosphäre von WASP-18b”, sagte Nikku Madhusudhan, ein Co-Autor von der University of Cambridge. “Diese seltene Faktorenkombination öffnet ein neues Fenster für unser Verständnis der physikalisch-chemischen Prozesse in exoplanetaren Atmosphären.”
Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass WASP-18b heißes Kohlenstoffmonoxid in der Stratosphäre und kühleres Kohlenstoffmonoxid in der darunterliegenden Atmosphärenschicht aufweist, der sogenannten Troposphäre. Die Forscher stellten dies fest, indem sie zwei Arten von Kohlenstoffmonoxid-Signaturen registrierten: eine Absorptionssignatur bei einer Wellenlänge von 1,6 Mikrometern und eine Emissionssignatur bei etwa 4,5 Mikrometern. Das ist das erste Mal, dass Wissenschaftler beide Signaturarten eines einzigen Molekültyps in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen haben.
Theoretisch liegt eine andere mögliche Erklärung für die Beobachtungen in Kohlenstoffdioxid, das eine ähnliche Signatur besitzt. Die Forscher schlossen dies aus, weil die Atmosphäre dann auch etwas Wasserdampf enthalten sollte, falls dort genug Sauerstoff vorhanden wäre, um Kohlenstoffdioxid zu bilden.
Um die von dem Team beobachteten spektralen Signaturen zu produzieren, müsste die obere Atmosphäre von WASP-18b mit Kohlenstoffmonoxid angereichert sein. Verglichen mit anderen heißen Jupitern würde die Atmosphäre dieses Planeten 300 Mal mehr “Metalle” enthalten – das sind Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Diese extrem hohe Metallizität würde darauf hindeuten, dass WASP-18b während seiner Entstehung eine größere Menge festen Eises angesammelt hat als Jupiter und dass er möglicherweise nicht auf die gleiche Weise entstand wie andere heiße Jupiter.
“Der geplante Start des James Webb Space Telescope und anderer zukünftiger, weltraumbasierter Observatorien wird uns die Möglichkeit geben, weitere Beobachtungen mit noch leistungsfähigeren Instrumenten durchzuführen und die Erforschung der erstaunlichen Vielfalt an Exoplaneten dort draußen fortzusetzen”, sagte Avi Mandell, ein Exoplanetenforscher am Goddard Space Flight Center und Zweitautor der Studie.
(THK)
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