Künstlerische Darstellung von WASP-121b. (NASA, ESA und G. Bacon/STScI) Mit dem Licht des Sterns, den er umkreist, haben Astronomen in die Atmosphäre eines 850 Lichtjahre entfernten Exoplaneten geblickt. Nicht irgendein Exoplanet, sondern einer der heißesten, die wir je gefunden haben – und es wurden inzwischen mindestens sieben Metalle identifiziert, die als Gas in seiner Atmosphäre schweben.
Der Exoplanet ist WASP-121b, ein Planetentyp, den wir als heiß bezeichnen Jupiter . Das liegt daran, dass es sich um einen Gasriesen handelt, der so nah an seinem Stern ist, dass seine Temperatur mit der der Sterne selbst mithalten kann; coole Sterne , zwar, aber Sterne trotzdem.
Was Exoplaneten betrifft, ist WASP-121b ziemlich berühmt. Es wurde erstmals 2015 als Exoplanet entdeckt etwa das 1,18-fache der Masse und 1,81-mal so groß wie Jupiter, auf einer engen Umlaufbahn von nur 1,27 Tagen. Zwei Jahre später wurde er zum ersten Exoplaneten in dessen Stratosphäre Wasser gefunden wurde - obwohl es angesichts der extremen Hitze auf dem Planeten höchst unwahrscheinlich ist, dass er bewohnbar ist.
Nun haben Astronomen die Atmosphäre des Exoplaneten genauer unter die Lupe genommen und waren überrascht, was sie herausgefunden haben.
Mit Temperaturen zwischen 2.500 und 3.000 Grad Celsius (ungefähr 4.500 und 5.500 Grad Fahrenheit) ist er nicht der heißeste dieser Exoplaneten, den wir je gesehen haben.
Aber es ist so heiß, dass seine Atmosphäre viel einfacher sein dürfte als das, was Astronomen in früheren Studien beobachtet haben – komplexe Moleküle sollten sich bei so hohen Temperaturen nicht bilden können.
Diese früheren Studien legten nahe, dass Moleküle das seltene Metall enthalten Vanadium und ein Mangel an Titan könnte das Spektrum früherer Beobachtungen der Atmosphäre von WASP-121b erklären.
„Frühere Studien versuchten, diese komplexen Beobachtungen mit Theorien zu erklären, die mir nicht plausibel erschienen“, sagte der Astronom Jens Hoeijmakers der Universitäten Bern und Genf in der Schweiz.
„Aber es stellte sich heraus, dass sie Recht hatten. „Zu meiner Überraschung fanden wir in den Beobachtungen tatsächlich starke Vanadiumsignaturen.“
Der Blick in die Atmosphäre von Exoplaneten ist nicht einfach. Zunächst muss der Exoplanet zwischen uns und dem Stern vorbeiziehen. Dies ist tatsächlich eine gute Möglichkeit, Exoplaneten überhaupt zu finden – Sie suchen nach wirklich schwachen, regelmäßigen Einbrüchen im Sternenlicht, die Ihnen sagen, dass etwas Großes den Stern umkreist.
Um die Atmosphäre zu studieren, braucht man noch schwächere Signale.
Während der Exoplanet vor dem Stern vorbeizieht, dringt ein Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre. Abhängig von den in der Atmosphäre vorhandenen Elementen werden einige Lichtwellenlängen absorbiert und verstärkt. Wenn Sie das gesamte Wellenlängenspektrum aufnehmen können, erscheinen diese als Absorptions- und Emissionslinien.
Wie Sie sich vorstellen können, ist das Signal nicht sehr stark und es gibt viel Rauschen. Zunächst benötigen Sie also gute Tools zur Rauschunterdrückung, die die benötigten Daten nicht zerstören.
Das Signal kann auch vergrößert und verdeutlicht werden, indem mehrere Transitspektren aufgenommen und gestapelt werden – so lassen sich Exoplaneten mit kurzen Umlaufzeiten, die es uns ermöglichen, mehr Transitspektren aufzunehmen, einfacher analysieren. Ein Exoplanet auf einer 12-jährigen Umlaufbahn wie der des Jupiter wäre beispielsweise kein idealer Kandidat. Aber die enge Umlaufbahn von WASP-121b funktioniert gut.
Um ein starkes Spektrum für WASP-121b zu erhalten, nutzten Hoeijmakers und sein Team drei zuvor beobachtete Transite mithilfe des HARPS-Spektrographen am 3,6-m-Teleskop La Silla des Europäischen Südobservatoriums durchgeführt und die Daten erneut verarbeitet.
Und sie fanden einen interessanten metallischen Cocktail in der Atmosphäre des Exoplaneten. Da war natürlich das oben erwähnte Vanadium. Darüber hinaus identifizierte das Team die spektralen Signaturen von Eisen, Chrom, Kalzium, Natrium, Magnesium und Nickel. Bemerkenswert ist, dass es kein Titan gibt – im Einklang mit den früheren Erkenntnissen.
„Aufgrund der hohen Temperaturen auf WASP-121b sind sämtliche Metalle verdampft, sodass die Luft auf dem Exoplaneten unter anderem aus verdampften Metallen besteht.“ Hoeijmakers erklärt .
Heiße Jupiter sind sehr mysteriöse Planeten und solche Analysen von ihre Atmosphären können uns helfen, sie zu verstehen. Wir wissen nicht, warum oder wieso sie ihren Sternen so nahe sind, und wenn wir wissen, was sich in ihrer Atmosphäre befindet, können wir herausfinden, ob sie sich dort gebildet haben oder ob sie von einer weiter entfernten Umlaufbahn nach innen gewandert sind.
Diese Studien tragen aber auch dazu bei, das Toolkit für die Erforschung von Planeten auf der Suche nach außerirdischem Leben zu entwickeln. Was wir heute zur Identifizierung von Eisen und Natrium verwenden, könnte mit empfindlicheren Geräten eines Tages dabei helfen, die Moleküle zu finden, die von lebenden Organismen produziert und verwendet werden, wie etwa Sauerstoff und Methan.
„Nachdem wir jahrelang katalogisiert haben, was da draußen ist, nehmen wir jetzt nicht mehr nur Messungen vor“, sagte Hoeijmakers .
„Wir fangen wirklich an zu verstehen, was uns die Daten der Instrumente zeigen.“ Wie Planeten einander ähneln und sich voneinander unterscheiden. So wie Charles Darwin vielleicht begann, die Evolutionstheorie zu entwickeln, nachdem er unzählige Tierarten charakterisiert hatte, beginnen wir, mehr darüber zu verstehen, wie diese Exoplaneten entstanden sind und wie sie funktionieren.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Astronomie und Astrophysik .