Zusammenfassung:
Astronomen nutzten das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, um zum ersten Mal die räumliche Verteilung des Randes der Atmosphäre eines fernen riesigen Exoplaneten in beispielloser Detailgenauigkeit zu kartieren. Beobachtungen ergaben, dass die Atmosphäre dieses Planeten namens WASP-17b nicht gleichmäßig über den Planeten verteilt ist, sondern in verschiedenen Bereichen offensichtliche Formunterschiede aufweist. Dabei erstreckt sich die Atmosphäre auf der Abendseite des Planeten weiter nach außen und die Temperatur ist deutlich höher als auf der Morgenseite.
Diese Studie wurde gemeinsam von Forschern der Cornell University in den Vereinigten Staaten und der University of Bristol im Vereinigten Königreich geleitet und die Ergebnisse wurden am 14. Oktober 2026 in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht. Das Forschungsteam nutzte eine neue Technologie namens „Transmission Strings“, um das Sternenlicht zu analysieren, das durch den Rand der Planetenatmosphäre dringt, wenn es vor dem Stern vorbeizieht, und spaltete so die Atmosphäreninformationen auf, die in der Vergangenheit normalerweise an verschiedenen Orten zusammengeführt wurden. Dieses Ergebnis enthüllt nicht nur die asymmetrische Struktur der Atmosphäre von WASP-17b, sondern eröffnet auch eine neue Möglichkeit, Wetterkarten von fernen Planeten in der Zukunft zu zeichnen.
WASP-17b ist etwa 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt und gehört zu dem, was Astronomen als „heißen Jupiter“ bezeichnen. Solche Planeten sind normalerweise sperrige Gasriesen, aber anders als Jupiter im Sonnensystem kreisen sie sehr nahe um ihre Muttersterne und werden daher durch intensive Sternstrahlung erhitzt.
Besonders auffällig ist die Größe von WASP-17b. Sein Durchmesser ist fast doppelt so groß wie der des Jupiter, aber seine Masse beträgt nur etwa die Hälfte derjenigen des Jupiter. Aufgrund der extrem ausgedehnten Atmosphäre beträgt die durchschnittliche Atmosphärentemperatur des Planeten etwa 1.500 Grad Celsius. Es dauert nur etwa 3,7 Erdentage, um seinen Mutterstern zu umkreisen. Die extreme Umlaufbahnumgebung lässt seine Atmosphäre völlig anders erscheinen als die der Planeten im Sonnensystem.
Es gibt noch eine weitere Besonderheit dieses Planeten: Er ist vom Gezeitenblockierungseffekt betroffen und weist immer die gleiche Seite in Richtung seines Muttersterns auf. Daher wird die Hälfte des Planeten permanent vom Stern beleuchtet, während die andere Hälfte ständig in Dunkelheit liegt. Auch wenn der Planet selbst keinen vollständigen Tag-Nacht-Zyklus durchläuft wie die Erde, kann seine Atmosphäre über starke Winde dennoch Wärme von der Tag- zur Nachtseite transportieren.
Die Forscher fanden heraus, dass dieser Wärmetransport zu erheblichen Unterschieden in der Atmosphäre des Planeten zwischen den frühen Morgen- und Abendregionen führt. Die Abendseite, am Übergang von Tag und Nacht gelegen, weist durch den Einfluss der thermischen Luftströmung von der Tagseite eine deutlich höhere Temperatur auf, zudem dehnt sich die Atmosphäre nach außen aus. Im Gegensatz dazu wird die Atmosphäre auf der Morgenseite beim Durchgang durch den kühleren Nachtbereich kühler, wodurch sie insgesamt kontrahierter wird.
Nach Messungen des Forschungsteams beträgt die Atmosphärentemperatur auf der Morgenseite von WASP-17b etwa 590 Grad Celsius, während sie auf der Abendseite etwa 1250 Grad Celsius erreicht. Der Unterschied zwischen den beiden beträgt etwa 660 Grad Celsius oder etwa 1200 Grad Fahrenheit. Die Atmosphäre erstreckt sich auf der Abendseite etwa 1,8-mal so weit nach außen wie auf der Morgenseite.
Dieser Unterschied wird leicht übersehen, wenn man nur die Gesamtumrisse des Planeten betrachtet. Wenn Astronomen in der Vergangenheit die Lichtveränderungen analysierten, die durch die Kreuzung von Exoplaneten vor ihren Sternen verursacht wurden, näherten sie sich in der Regel dem Rand der Atmosphäre um den Planeten als Ring mit einem einheitlichen Radius an und kombinierten dann die Spektralsignale über den gesamten Ring. Dies analysiert effektiv die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten, kann jedoch Temperatur- und Strukturunterschiede zwischen Regionen verschleiern.
Die in dieser Studie verwendete neue Methode ändert diesen Ansatz. Anstatt davon auszugehen, dass der Rand der Atmosphäre eines Planeten überall den gleichen Radius hat, versuchen Forscher, den Abstand vom Planetenmittelpunkt zum äußeren Rand der Atmosphäre individuell zu messen, um die Form der Atmosphäre in verschiedenen Richtungen zu rekonstruieren.
Die von den Astrophysikern David Grant und Hannah Wakeford an der Universität Bristol entwickelte Technik nennen die Forscher „transmissive Strings“, auch bekannt als Transit-Mapping-Technologie. Die Methode nutzt Lichtveränderungen, wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht, um Signale aus verschiedenen Regionen am Rand der Atmosphäre zu analysieren.
Wenn ein Exoplanet vor seinem Mutterstern vorbeizieht, passiert ein Teil des vom Stern emittierten Lichts die äußere Atmosphäre des Planeten und erreicht dann die Erde. Verschiedene Gasmoleküle in der Atmosphäre absorbieren bestimmte Lichtwellenlängen. Durch die Analyse von Veränderungen im Sternenlicht bei unterschiedlichen Wellenlängen können Forscher daher ableiten, welche Materialien in der Atmosphäre enthalten sind und wie diese Materialien an verschiedenen Orten verteilt sind.
Wenn die Atmosphäre irgendwo heißer ist, führt die Ausdehnung des Gases gleichzeitig dazu, dass es sich weiter nach außen ausdehnt. Durch die Messung dieser Veränderung können Forscher die tatsächliche Ausdehnung der Atmosphäre eines Planeten in verschiedene Richtungen bestimmen, anstatt nur den Durchschnitt des gesamten Rings zu ermitteln.
Das Forschungsteam nutzte Beobachtungsdaten, die im März 2023 vom James Webb Space Telescope gewonnen wurden, um eine Analyse durchzuführen. Für die Beobachtungen wurden drei Instrumente eingesetzt, die mehrere Wellenlängenbänder vom nahen sichtbaren Licht bis zum mittleren Infrarot abdecken. Um die Analyse abzuschließen, müssen die Forscher die Daten von 24 Bändern separat verarbeiten. Die Anpassungsberechnung jedes Bandes erfordert eine große Menge an Rechenressourcen. Für die Analyse eines einzelnen Bandes sind etwa 40 Rechenkerne erforderlich, die zwei Wochen lang ununterbrochen laufen.
Nach aufwändiger Datenverarbeitung erhielt das Forschungsteam schließlich spektrale Informationen aus verschiedenen Winkeln am Rand der Planetenatmosphäre und rekonstruierte seine ungleichmäßige räumliche Struktur.
Die Ergebnisse zeigen, dass es in der Nähe des Äquators des Planeten einen starken atmosphärischen Strahl gibt, der Wärme von der Seite, die ständig beleuchtet ist, zur anderen Seite transportiert, die ständig in Dunkelheit liegt. Aufgrund der Richtung der atmosphärischen Zirkulation und der Rotation des Planeten speichert die Abendseite mehr Wärme von der Tagseite und ist daher heißer und ausgedehnter als die Morgenseite.
Es ist erwähnenswert, dass dieses Ergebnis in hohem Maße mit den früheren Vorhersagen der Forscher durch theoretische Berechnungen und Computersimulationen übereinstimmt. Das Forschungsteam hatte ursprünglich erwartet, dass heiße Jupiter wie WASP-17b erhebliche Temperaturunterschiede zwischen den Morgen- und Abendgebieten aufweisen würden, und diese Beobachtung bestätigte dieses Urteil.
Lily Alderson, die Hauptleiterin der Studie an der Cornell University, sagte, dass dieses Ergebnis beweise, dass die Atmosphäre eines Exoplaneten tatsächlich ein dreidimensionales System mit einer komplexen räumlichen Struktur sei und nicht nur eine einheitliche Gasschicht, die durch eine Durchschnittstemperatur oder ein einzelnes Spektrum beschrieben werden könne. Die direkte Überprüfung theoretischer Vorhersagen durch Beobachtungen ist etwas völlig anderes, als sich ausschließlich auf Computersimulationen zu verlassen, um Schlussfolgerungen zu ziehen.
Die Forscher analysierten auch Wasserdampf und Kohlendioxid in der Atmosphäre des Planeten. Die Ergebnisse zeigen, dass die beiden Gase im Allgemeinen gleichmäßig am Rand der Planetenatmosphäre verteilt sind, was mit früheren Computermodellen übereinstimmt. Da jedoch die Atmosphäre auf der Abendseite stärker ausgedehnt ist und die von den Gasen erzeugten Spektralsignale stärker sind, ist es für Forscher einfacher, den Gehalt verwandter Substanzen auf dieser Seite zu messen.
Im Gegensatz dazu bestehen weiterhin Unsicherheiten bei der Verteilung der Wolken. Verschiedene Modelle haben unterschiedliche Erklärungen für die Lage der Wolken geliefert. Ein Modell geht davon aus, dass Wolken hauptsächlich auf der kühleren Morgenseite auftreten, während Teile des Gebiets, das sich von den Polen bis zur Abendseite erstreckt, relativ wolkenfrei sind; Ein anderes Modell kann die spezifische Beschaffenheit der Wolken nicht eindeutig bestimmen.
Forscher wiesen darauf hin, dass die Temperaturen in verschiedenen Gebieten von WASP-17b den Temperaturbereich abdecken, in dem sich Silikatwolken und Salzwolken bilden können. Daher können in verschiedenen Gebieten des Planeten unterschiedliche Arten von Wolken existieren. In Zukunft werden verfeinerte Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich erforderlich sein, um die Zusammensetzung und räumliche Verteilung dieser Wolken weiter zu bestimmen.
Darüber hinaus geht das Forschungsteam derzeit in Teilen der Analyse davon aus, dass die nördliche und südliche Hemisphäre des Planeten eine annähernd symmetrische Struktur aufweisen, was möglicherweise nicht auf andere Exoplaneten übertragbar ist. Der Wellenlängenbereich der verfügbaren Beobachtungen kann auch subtilere Veränderungen an den Rändern der Atmosphäre verdecken. Obwohl diese Forschung wichtige Fortschritte gemacht hat, benötigen die Wissenschaftler daher noch weitere Beobachtungen, um das Atmosphärenmodell des Planeten zu verbessern.
Forscher glauben, dass die wahre Bedeutung dieser Arbeit nicht nur darin besteht, herauszufinden, dass die Atmosphäre eines Planeten nicht symmetrisch genug ist, sondern auch darin zu beweisen, dass Astronomen allmählich in der Lage sind, die lokale Umgebung in verschiedenen Bereichen entfernter Planeten zu untersuchen.
Bisher haben Astronomen mehr als 6.000 Exoplaneten bestätigt, aber der Mensch kann immer noch nur begrenzte durchschnittliche Informationen über die Atmosphäre der meisten von ihnen erhalten. Selbst mit den fortschrittlichsten Teleskopen ist es für Forscher schwierig, die Oberflächen oder Wolken dieser fernen Welten direkt abzubilden, sodass ihre physikalischen Eigenschaften oft nur indirekt durch Spektral- und Helligkeitsänderungen abgeleitet werden können.
Neue Übertragungsstrangtechnologie kann Signale an verschiedenen Orten am Rande der Atmosphäre eines Planeten trennen und es Forschern so ermöglichen, Veränderungen der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung vom Äquator bis zu den Polen und von morgens bis abends weiter zu untersuchen. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler in Zukunft voraussichtlich schrittweise von der Messung der durchschnittlichen atmosphärischen Eigenschaften eines Planeten zur Kartierung detaillierterer dreidimensionaler atmosphärischer Strukturen übergehen werden.
Das Forschungsteam gab an, dass Astronomen mit der Anwendung dieser Technologie auf mehr Exoplaneten nach und nach die Luftströmungsstruktur, lokale Temperaturänderungen und Wolkenverteilung auf verschiedenen Breitengraden identifizieren und in Zukunft möglicherweise sogar große Stürme auf entfernten Planeten untersuchen könnten.
Für WASP-17b, das 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, enthüllte diese Beobachtung nur einen Teil seines komplexen Atmosphärensystems. Aber Forscher haben gezeigt, dass sie auch ohne direkten Zugang zu diesen fernen Welten die subtilen Veränderungen, die das Licht eines Sterns beim Durchgang durch die Atmosphäre eines Planeten hinterlässt, nutzen können, um die unsichtbaren Wetterstrukturen in seinem Inneren zu rekonstruieren. Dieser Fortschritt bietet neue Beobachtungsinstrumente für zukünftige Studien des Klimas, der Zirkulation und der atmosphärischen Entwicklung von Exoplaneten.
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