Forscher, die Trappist-1b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersuchten, fanden heraus, dass es möglicherweise eine flüchtige Oberfläche und eine Atmosphäre hat, obwohl man zuvor dachte, es handele sich um ein dunkles, felsiges Objekt ohne Atmosphäre. Erste Beobachtungen deuteten darauf hin, dass es keine Atmosphäre gab, aber weitere Analysen deuteten darauf hin, dass es sich um eine dicke Kohlendioxidatmosphäre handeln könnte, die von einem Kohlenwasserstoffschleier umgeben ist, der dem des Saturnmondes Titan ähnelt. Um diese Ergebnisse zu bestätigen, sind umfangreichere Studien geplant.
Trappist-1b ist einer von sieben Gesteinsplaneten, die den Stern Trappist-1 umkreisen, 40 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dieses Planetensystem ist bemerkenswert, weil es Astronomen die seltene Gelegenheit bietet, mehrere erdähnliche Planeten aus der Nähe zu untersuchen. Drei der Planeten befinden sich in der „habitablen Zone“, wo auf ihrer Oberfläche flüssiges Wasser existieren könnte. Bisher haben zehn Forschungsprojekte das System mit dem James Webb Space Telescope (JWST) insgesamt 290 Stunden lang beobachtet.
An der neuesten Studie waren Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg beteiligt und wurde von Elsa Ducrot von der Kommission für Atomenergie (CEA) in Paris, Frankreich, geleitet. Das Team nutzte den Mid-Infrared Imager (MIRI) von JWST, um die thermische Infrarotstrahlung von Trappist-1b (im Wesentlichen seine thermische Signatur) zu messen. Die Ergebnisse, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurden, bauen auf der letztjährigen Forschung auf, die Trappist-1b als einen dunklen, felsigen Planeten ohne erkennbare Atmosphäre beschrieb.
„Die Vorstellung, dass ein Gesteinsplanet eine stark verwitterte Oberfläche und keine Atmosphäre hat, steht jedoch im Widerspruch zu aktuellen Messungen“, sagte MPIA-Astronom Jeroen Bouwman, der das Beobachtungsprojekt mit leitete. „Wir gehen also davon aus, dass der Planet von relativ unveränderlicher Materie bedeckt ist.“ Typischerweise wird die Oberfläche durch Strahlung des Zentralsterns und Meteoriteneinschläge verwittert. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Oberflächengestein höchstens etwa 1.000 Jahre alt ist, viel jünger als das Alter des Planeten selbst, das auf mehrere Milliarden Jahre geschätzt wird.
Dies könnte darauf hindeuten, dass die Erdkruste drastische Veränderungen durchmacht, die durch extreme vulkanische Aktivität oder Plattentektonik erklärt werden könnten. Auch wenn dieses Szenario vorerst hypothetisch bleibt, ist es dennoch plausibel. Der Planet ist groß genug, dass sein Inneres die Restwärme seiner Entstehung speichern kann – genau wie die Erde. Gezeiteneffekte des Zentralsterns und anderer Planeten können Trappist-1b ebenfalls verformen und innere Reibung erzeugen, die Wärme erzeugt – ähnlich wie wir es beim Jupitermond Io sehen. Darüber hinaus ist auch eine Erwärmung durch die Magnetfelder nahegelegener Sterne denkbar.
„Daten ermöglichen auch ganz andere Lösungen“, sagte MPIA-Direktor emeritiert Thomas Henning. Er ist einer der Hauptentwickler des MIRI-Instruments. „Entgegen früherer Annahmen könnte der Planet in manchen Fällen eine dichte Atmosphäre haben, die reich an Kohlendioxid (CO2) ist“, fügte er hinzu. Dabei spielt der durch Kohlenwasserstoffe erzeugte Dunst, der Rauch in der oberen Atmosphäre, eine Schlüsselrolle.
Die beiden Beobachtungsprojekte ergänzen sich in der aktuellen Studie, deren Ziel es ist, die Helligkeit von Trappist-1b bei verschiedenen Wellenlängen im thermischen Infrarotbereich (12,8 und 15 Mikrometer) zu messen. Die ersten Beobachtungen beruhten auf der Absorption der Infrarotstrahlung des Planeten durch eine Kohlendioxidschicht. Es wurde jedoch keine Verdunkelung gemessen, was die Forscher zu dem Schluss führte, dass der Planet keine Atmosphäre hat.
Das Team führte Modellrechnungen durch, die zeigten, dass Dunst die Temperaturschichtung der kohlendioxidreichen Atmosphäre umkehren kann. Typischerweise sind die unteren Bodenschichten aufgrund des höheren Luftdrucks wärmer als die oberen Schichten. Wenn Dunst Sternenlicht absorbiert und erwärmt, erwärmt er durch den Treibhauseffekt die obere Atmosphäre. Dadurch emittiert das dortige Kohlendioxid selbst Infrarotstrahlung.
Ähnliches sehen wir auf dem Saturnmond Titan. Seine Dunstschicht entsteht wahrscheinlich unter dem Einfluss der ultravioletten (UV) Strahlung der Sonne, die aus kohlenstoffreichen Gasen in der Atmosphäre stammt. Ein ähnlicher Prozess könnte auf Trapster-1b stattfinden, da sein Stern große Mengen ultravioletter Strahlung aussendet.
Selbst wenn die Daten zu dieser Hypothese passen, halten Astronomen sie dennoch für weniger wahrscheinlich. Einerseits ist die Erzeugung der smogbildenden Kohlenwasserstoffe aus einer kohlendioxidreichen Atmosphäre schwieriger, aber nicht unmöglich. Allerdings besteht die Atmosphäre von Titan hauptsächlich aus Methan. Andererseits bleibt das Problem bestehen, dass die Strahlung und Winde, die von aktiven Roten Zwergen, einschließlich Trappist-1, erzeugt werden, im Laufe von Milliarden von Jahren leicht die Atmosphären benachbarter Planeten erodieren könnten.
Trappist-1b ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie schwierig es derzeit ist, die Atmosphären von Gesteinsplaneten zu erkennen und zu bestimmen – selbst für JWST. Im Vergleich zu Gasplaneten sind sie dünn und erzeugen nur schwach messbare Merkmale. Zwei Studien von Trappist-1b lieferten Helligkeitswerte bei zwei Wellenlängen über eine Dauer von fast 48 Stunden, die nicht ausreichten, um zweifelsfrei festzustellen, ob der Planet eine Atmosphäre hat.
Die Beobachtungen nutzten die leichte Neigung der Planetenebene relativ zu unserer Sichtlinie zu Trappist-1. Diese Ausrichtung führt dazu, dass sieben Planeten vor dem Stern vorbeiziehen und sich bei jedem Umlauf leicht verdunkeln. Dies kann also auf verschiedene Weise genutzt werden, um die Eigenschaften und die Atmosphäre eines Planeten zu verstehen.
Als zuverlässige Methode hat sich die sogenannte Transitspektroskopie erwiesen. Dabei wird gemessen, wie stark die Wellenlänge eines Sterns durch seine Planeten gedimmt wird. Zusätzlich zur Bedeckung durch undurchsichtige Planetenkörper, die Astronomen nutzen, um die Größe eines Planeten zu bestimmen, absorbieren atmosphärische Gase auch bestimmte Wellenlängen des Sternenlichts. Daraus können sie schließen, ob der Planet eine Atmosphäre hat und woraus diese besteht. Leider hat dieser Ansatz Nachteile, insbesondere für Planetensysteme wie Trappist-1. Kühle Rote Zwerge weisen häufig große Sternflecken und starke Eruptionen auf, die die Messungen erheblich beeinträchtigen.
Astronomen haben dieses Problem weitgehend umgangen, indem sie die Seite eines Exoplaneten beobachteten, während sich sein Stern im thermischen Infrarotlicht aufheizte, wie in der aktuellen Studie von Trappist-1b. Die helle Tagseite ist besonders gut zu erkennen, bevor und nachdem der Planet hinter seinem Stern verschwindet. Die von einem Planeten emittierte Infrarotstrahlung enthält Informationen über seine Oberfläche und Atmosphäre. Allerdings ist diese Beobachtung zeitaufwändiger als die Transitspektroskopie.
Angesichts des Potenzials dieser sogenannten sekundären Sonnenfinsternismessungen genehmigte die NASA kürzlich ein umfangreiches Beobachtungsprogramm zur Untersuchung der Atmosphären von Gesteinsplaneten um nahegelegene Sterne mit geringer Masse. Dieses außergewöhnliche Projekt, „Rocky World“, umfasst 500 Stunden Beobachtungen mit JWST.
Eine klare Bestätigung erhofft sich das Team durch eine andere Beobachtungsmethode. Es zeichnet die vollständige Umlaufbahn eines Planeten um einen Stern auf, einschließlich aller Beleuchtungsphasen von der dunklen Nachtseite vor dem Stern bis zur hellen Tagseite kurz vor und nach der Verdeckung durch den Stern. Mit dieser Methode kann das Team eine sogenannte Phasenkurve erstellen, die die Helligkeitsänderung eines Planeten entlang seiner Umlaufbahn angibt. Daraus können Astronomen Rückschlüsse auf die Temperaturverteilung auf der Planetenoberfläche ziehen.
Das Team hat diese Messung mit Trappist-1b durchgeführt. Durch die Analyse der Wärmeverteilung auf dem Planeten können sie auf das Vorhandensein einer Atmosphäre schließen. Dies liegt daran, dass die Atmosphäre dabei hilft, Wärme von der Tagseite auf die Nachtseite zu übertragen. Wenn sich die Temperatur beim Übergang der beiden Seiten plötzlich ändert, deutet dies auf das Fehlen einer Atmosphäre hin.
Zusammengestellt von /scitechdaily