Die dunkle Seite eines „heißen Jupiters“ wird erstmals im Detail enthüllt

Sep 18, 2023

21. Februar 2022

von Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

MIT-Astronomen haben den bisher klarsten Blick auf die ewige dunkle Seite eines Exoplaneten erhalten, der „gezeitengebunden“ an seinen Stern ist. Ihre Beobachtungen liefern in Kombination mit Messungen der permanenten Tagseite des Planeten den ersten detaillierten Blick auf die globale Atmosphäre eines Exoplaneten.

„Wir gehen jetzt über die Aufnahme isolierter Schnappschüsse bestimmter Regionen der Atmosphäre von Exoplaneten hinaus und untersuchen sie als die 3D-Systeme, die sie wirklich sind“, sagt Thomas Mikal-Evans, der die Studie als Postdoktorand am Kavli Institute for Astrophysics and Space des MIT leitete Forschung.

Der Planet im Zentrum der neuen Studie, die in Nature Astronomy erscheint, ist WASP-121b, ein massiver Gasriese, der fast doppelt so groß ist wie Jupiter. Der Planet ist ein ultraheißer Jupiter und wurde 2015 entdeckt, als er einen Stern umkreiste, der etwa 850 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. WASP-121b hat eine der kürzesten bisher entdeckten Umlaufbahnen und umkreist seinen Stern in nur 30 Stunden. Außerdem ist er gezeitengebunden, so dass seine dem Stern zugewandte „Tag“-Seite permanent röstet, während seine „Nacht“-Seite für immer dem Weltraum zugewandt ist.

„Heiße Jupiter sind berühmt für ihre sehr hellen Tagseiten, aber die Nachtseite ist ein ganz anderes Biest. Die Nachtseite von WASP-121b ist etwa zehnmal schwächer als die Tagseite“, sagt Tansu Daylan, TESS-Postdoktorandin am MIT und Mitautorin die Studie.

Astronomen hatten zuvor Wasserdampf entdeckt und untersucht, wie sich die Atmosphärentemperatur mit der Höhe auf der Tagseite des Planeten ändert.

Die neue Studie zeichnet ein viel detaillierteres Bild. Die Forscher konnten die dramatischen Temperaturveränderungen von der Tag- zur Nachtseite kartieren und sehen, wie sich diese Temperaturen mit der Höhe verändern. Sie verfolgten auch das Vorhandensein von Wasser in der Atmosphäre und zeigten so erstmals, wie Wasser zwischen der Tag- und der Nachtseite eines Planeten zirkuliert.

Während auf der Erde der Wasserkreislauf zunächst verdunstet, dann zu Wolken kondensiert und schließlich regnet, ist der Wasserkreislauf auf WASP-121b weitaus intensiver: Auf der Tagesseite werden die Atome, aus denen Wasser besteht, bei Temperaturen über 3.000 auseinandergerissen Kelvin. Diese Atome werden auf die Nachtseite geblasen, wo kältere Temperaturen die Rekombination von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zu Wassermolekülen ermöglichen, die dann auf die Tagseite zurückgeblasen werden, wo der Zyklus von neuem beginnt.

Das Team hat berechnet, dass der Wasserkreislauf des Planeten durch Winde aufrechterhalten wird, die die Atome mit Geschwindigkeiten von bis zu fünf Kilometern pro Sekunde oder mehr als 11.000 Meilen pro Stunde um den Planeten peitschen.

Es scheint auch, dass nicht nur Wasser auf dem Planeten zirkuliert. Die Astronomen fanden heraus, dass die Nachtseite kalt genug ist, um exotische Wolken aus Eisen und Korund zu beherbergen – ein Mineral, aus dem Rubine und Saphire bestehen. Diese Wolken können wie Wasserdampf auf die Tagseite wirbeln, wo hohe Temperaturen die Metalle in Gasform verdampfen lassen. Unterwegs kann es zu exotischen Regenfällen kommen, etwa flüssigen Edelsteinen aus den Korundwolken.

„Mit dieser Beobachtung erhalten wir wirklich einen globalen Überblick über die Meteorologie eines Exoplaneten“, sagt Mikal-Evans.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Mitarbeiter des MIT, der Johns Hopkins University, des Caltech und anderer Institutionen.

Das Team beobachtete WASP-121b mit einer Spektroskopkamera an Bord des Hubble-Weltraumteleskops der NASA. Das Instrument beobachtet das Licht eines Planeten und seines Sterns und zerlegt dieses Licht in seine einzelnen Wellenlängen, deren Intensitäten den Astronomen Hinweise auf die Temperatur und Zusammensetzung einer Atmosphäre geben.

Durch spektroskopische Untersuchungen haben Wissenschaftler atmosphärische Details auf den Tagseiten vieler Exoplaneten beobachtet. Aber das Gleiche für die Nachtseite zu tun, ist weitaus schwieriger, da man auf winzige Veränderungen im gesamten Spektrum des Planeten achten muss, während er seinen Stern umkreist.

Für die neue Studie beobachtete das Team WASP-121b während zweier vollständiger Umlaufbahnen – eine im Jahr 2018 und die andere im Jahr 2019. Für beide Beobachtungen durchsuchten die Forscher die Lichtdaten nach einer bestimmten Linie oder einem Spektralmerkmal, das auf die Anwesenheit hinwies von Wasserdampf.

„Wir haben dieses Wasserspiel gesehen und kartiert, wie es sich in verschiedenen Teilen der Umlaufbahn des Planeten verändert hat“, sagt Mikal-Evans. „Das kodiert Informationen darüber, wie sich die Temperatur der Planetenatmosphäre als Funktion der Höhe verhält.“

Das wechselnde Wasserspiel half dem Team, das Temperaturprofil sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite abzubilden. Sie fanden heraus, dass die Tagesseite zwischen 2.500 Kelvin in der tiefsten beobachtbaren Schicht und 3.500 Kelvin in den obersten Schichten liegt. Die Nachtseite reichte von 1.800 Kelvin in der tiefsten Schicht bis zu 1.500 Kelvin in der oberen Atmosphäre. Interessanterweise schienen die Temperaturprofile zu schwanken: Sie stiegen mit der Höhe auf der Tagesseite – eine „thermische Inversion“ in meteorologischen Begriffen – und fielen mit der Höhe auf der Nachtseite.

Anschließend führten die Forscher die Temperaturkarten durch verschiedene Modelle, um Chemikalien zu identifizieren, die bei bestimmten Höhen und Temperaturen wahrscheinlich in der Atmosphäre des Planeten vorkommen. Diese Modellierung zeigte das Potenzial für Metallwolken wie Eisen, Korund und Titan auf der Nachtseite.

Anhand ihrer Temperaturkartierung beobachtete das Team außerdem, dass die heißeste Region des Planeten östlich der „substellaren“ Region direkt unter dem Stern verschoben ist. Sie folgerten, dass diese Verschiebung auf extreme Winde zurückzuführen sei.

„Das Gas wird am substellaren Punkt erhitzt, aber nach Osten geblasen, bevor es wieder in den Weltraum abstrahlen kann“, erklärt Mikal-Evans.

Aufgrund der Größe der Verschiebung schätzt das Team, dass die Windgeschwindigkeit etwa 5 Kilometer pro Sekunde beträgt.

„Diese Winde sind viel schneller als unser Jetstream und können Wolken wahrscheinlich in etwa 20 Stunden über den gesamten Planeten bewegen“, sagt Daylan, der frühere Arbeiten auf dem Planeten im Rahmen der vom MIT geleiteten NASA-Mission TESS leitete.

Die Astronomen haben Zeit am James Webb-Weltraumteleskop reserviert, um später in diesem Jahr WASP-121b zu beobachten, und hoffen, nicht nur Veränderungen im Wasserdampf, sondern auch im Kohlenmonoxid kartieren zu können, von dem Wissenschaftler vermuten, dass es sich in der Atmosphäre befindet.

„Das wäre das erste Mal, dass wir ein kohlenstoffhaltiges Molekül in der Atmosphäre dieses Planeten messen könnten“, sagt Mikal-Evans. „Die Menge an Kohlenstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre gibt Hinweise darauf, wo sich solche Planeten bilden.“

Mehr Informationen: Thomas Mikal-Evans, Tagesschwankungen in der Stratosphäre des ultraheißen Riesen-Exoplaneten WASP-121b, Nature Astronomy (2022). DOI: 10.1038/s41550-021-01592-w. www.nature.com/articles/s41550-021-01592-w

Zeitschrifteninformationen:Naturastronomie

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