Wie kann ein Planet heißer als heiß sein? Die Antwort lautet: Wenn man beobachtet, wie schwere Metalle aus der Atmosphäre des Planeten entweichen, anstatt zu Wolken zu kondensieren. Beobachtungen des Weltraumteleskops Hubble offenbaren Magnesium- und Eisengas, das von einer seltsamen Welt jenseits unseres Sonnensystems wegströmt, einem Exoplaneten namens WASP-121b. Die Beobachtungen repräsentieren das erste Mal, dass “schwere Metalle” beim Entweichen von einem sogenannten “heißen Jupiter” registriert wurden, einem großen Gasplaneten, der seinen Stern in geringer Entfernung umkreist. Schwere Metalle bezeichnen in diesem Fall Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.
Normalerweise sind Exoplaneten aus der Klasse der heißen Jupiter in ihrem Innern noch kühl genug, damit schwerere Elemente wie Magnesium und Eisen zu Wolken kondensieren. Aber bei WASP-121b ist das nicht so. Er umkreist seinen Stern so gefährlich nahe, dass seine obere Atmosphäre eine Temperatur von höllischen 2.500 Grad Celsius erreicht. Das System WASP-121 liegt etwa 900 Lichtjahre von der Erde entfernt.
“Schwere Metalle wurden bereits früher in anderen heißen Jupitern beobachtet, allerdings nur in der unteren Atmosphäre”, erklärte der leitende Wissenschaftler David Sing von der Johns Hopkins University in Baltimore (Maryland). “Deswegen weiß man nicht, ob sie entweichen oder nicht. Bei WASP-121b sehen wir Magnesium- und Eisengas so weit von dem Planeten entfernt, dass es nicht gravitativ gebunden ist.”
Ultraviolettes Licht von dem Zentralstern, der heller und heißer als die Sonne ist, heizt die obere Atmosphäre auf und hilft dem Element Blei zu entkommen. Zusätzlich könnten die entweichenden Magnesium- und Eisengase zu der Temperaturspitze beitragen. “Diese Metalle werden die Atmosphäre im Ultraviolettbereich undurchlässiger machen, was zur Aufheizung der oberen Atmosphäre beitragen könnte”, erklärte Sing.
Der glühend heiße Planet liegt so nah an seinem Stern, dass er von den Gezeitenkräften des Sterns fast auseinandergerissen wird. Die geringe Distanz hat zur Folge, dass der Planet bedingt durch die Gezeitenkräfte die Form eines Footballs hat.
“Wir beobachteten diesen Planeten, weil er so extrem ist”, sagte Sing. “Wir dachten, wir hätten die Möglichkeit, das Entweichen schwererer Elemente zu sehen. Er ist so heiß und so günstig zu beobachten, dass er der beste Kandidat für den Nachweis der Präsenz von schweren Metallen ist. Hauptsächlich suchten wir nach Magnesium, aber es gab Hinweise auf Eisen in den Atmosphären anderer Exoplaneten. Es war dennoch eine Überraschung, es in den Daten so deutlich in so großen Höhen so weit entfernt von dem Planeten zu sehen. Die schweren Metalle entweichen teilweise, weil der Planet so groß und aufgebläht ist, so dass seine Gravitation relativ schwach ist. Dies ist ein Planet, der aktiv seiner Atmosphäre beraubt wird.”
Die Forscher nutzten den Space Telescope Imaging Spectrograph des Hubble-Teleskops, um in ultravioletten Wellenlängen nach den Spektralsignaturen von Magnesium und Eisen zu suchen. Diese Signaturen werden dem Sternlicht eingeprägt, wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht und das Licht die Atmosphäre des Planeten durchquert.
Dieser Exoplanet ist also ein perfektes Ziel für das kommende James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, um in infraroten Wellenlängen nach Wasser und Kohlenstoffdioxid zu suchen, was bei längeren, rötlicheren Wellenlängen registriert werden kann. Die Kombination aus Beobachtungen von Hubble und dem JWST würde Astronomen eine vollständigere Aufstellung der chemischen Elemente geben, aus denen die Atmosphäre des Planeten besteht.
Die Studie über WASP-121b ist Teil des Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET) Survey, einem Hubble-Programm zur Beobachtung von 20 Exoplaneten im Größenbereich von Supererden (mehrere Erdmassen schwer) bis zu jupiterähnlichen Planeten (bis zu mehr als 100 Erdmassen schwer). Es ist die erste umfangreiche Studie, die ferne Welten in ergänzenden Wellenlängen untersucht – von ultravioletten Wellenlängen über sichtbares Licht bis zu Infrarotlicht.
Die Beobachtungen von WASP-121b ergänzen die sich weiter entwickelnde Geschichte, wie Planeten ihre primordialen Atmosphären verlieren. Wenn Planeten entstehen, sammeln sie eine Atmosphäre aus Gas von der Scheibe, in der sich der Planet und sein Zentralstern bildeten. Diese Atmosphären bestehen hauptsächlich aus den unberührten, leichteren Gasen Wasserstoff und Helium, den häufigsten Elementen im Universum. Diese Atmosphäre verflüchtigt sich, wenn sich der Planet näher an seinen Stern bewegt.
“Die heißen Jupiter bestehen größtenteils aus Wasserstoff, und Hubble ist sehr empfindlich für dessen Strahlung, daher wissen wir, dass diese Planeten ihr Gas relativ leicht verlieren können”, sagte Sing. “Aber bei WASP-121b strömen Wasserstoff und Helium fast wie ein Fluss nach außen und reißen diese Metalle mit sich. Es ist ein sehr effizienter Mechanismus für den Massenverlust.”
Die Ergebnisse erschienen am 1. August 2019 im Astronomical Journal.
Das Weltraumteleskop Hubble ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) betreibt das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore (Maryland) führt Hubbles wissenschaftliche Operationen durch. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C. für die NASA geleitet.
(THK)
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