Neueste Beobachtungen von Astronomen zeigen, dass ein felsiger Exoplanet, der einen sonnenähnlichen Stern in extrem geringer Entfernung umkreist, tatsächlich eine relativ dicke Atmosphäre behält. Dieses Ergebnis untergräbt das traditionelle Verständnis der Menschen über die Entwicklung solcher Planeten. Diese „Supererde“ mit dem Namen TOI-561 b hat etwa die doppelte Masse der Erde, weist jedoch eine extreme Umgebung auf und ist vermutlich vollständig von einem globalen Magma-Ozean bedeckt.

Die von der Carnegie Institution for Science geleitete Studie, die auf Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA basiert, ist einer der bislang stärksten Beweise für die Existenz von Atmosphären auf felsigen Exoplaneten. TOI-561 b umkreist einen Stern, der etwas kleiner und kühler als die Sonne ist. Die Umlaufbahnentfernung beträgt nur etwa ein Vierzigstel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne. Daher beträgt die Umlaufzeit nur etwa 10,56 Stunden und eine Seite ist immer der starken Strahlung des Sterns ausgesetzt.

Nach bestehenden Theorien müsste ein Planet dieser Größe und extremen Hitze nach seiner Entstehung schnell seine Atmosphäre verlieren und zu einem „nackten Fels“ werden. Durch die Analyse von Infrarotdaten des Webb-Teleskops stellte das Team jedoch fest, dass der Planet von einer ziemlich dicken Atmosphäre umgeben ist, was offensichtlich im Widerspruch zu früheren Erwartungen für Planeten mit ultrakurzer Periode steht. Diese Restatmosphäre erklärt auch die ungewöhnlich niedrige durchschnittliche Dichte von TOI-561 b – obwohl es sich um einen Gesteinsplaneten handelt, ist seine Gesamtdichte geringer als aufgrund der erdähnlichen Zusammensetzung erwartet.

Johanna Teske, eine der Projektleiterinnen und Astronomin bei Carnegie Science, wies darauf hin, dass das Team bei der Gestaltung des Beobachtungsplans eine andere mögliche Erklärung in Betracht gezogen habe: Der Planet könnte einen kleineren Eisenkern und einen Mantel aus Gestein geringer Dichte haben, was die Gesamtdichte verringert. Sie betonte, dass TOI-561 b auch insofern eine Besonderheit sei, als sein Mutterstern zur Region der dicken Scheibe der Milchstraße gehöre, etwa doppelt so alt sei wie die Sonne und eisenarm sei. Dies bedeutet, dass sich die chemische Umgebung bei der Entstehung des Planeten völlig von der des Sonnensystems unterscheidet und es sich möglicherweise um eine typische Stichprobe von Planeten handelt, die im frühen Universum entstanden sind.

Allerdings reichen die internen Komponenten der Anomalie allein nicht aus, um alle beobachteten Phänomene zu erklären. Das Forscherteam konzentrierte sich daher auf die möglicherweise dichte Atmosphäre des Planeten und spekulierte, dass es diese Atmosphäre sei, die den Planeten „größer“ erscheinen ließe und somit die berechnete durchschnittliche Dichte verringerte. Um diese Hypothese zu testen, nutzten Astronomen das Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des Webb-Teleskops, um die Temperatur auf der Tagseite des Planeten abzuleiten, indem sie Änderungen in der Helligkeit des Systems maßen, während es „hinter den Stern geht“.

Wenn TOI-561 b ein „nackter Fels“ ohne Atmosphäre ist und keine Wärme zur Nachtseite transportieren kann, sollte die Tagestemperatur der Theorie zufolge bei etwa 4900 Grad Fahrenheit (etwa 2700 Grad Celsius) liegen. Tatsächliche Beobachtungen zeigen, dass die Temperatur auf der Tagseite des Planeten etwa 3.200 Grad Fahrenheit (etwa 1.800 Grad Celsius) beträgt, was immer noch sehr heiß ist, aber deutlich niedriger als von Modellen ohne Atmosphäre vorhergesagt. Das Forscherteam verglich mehrere Szenarien: Die thermische Konvektion des Magmameeres selbst kann bis zu einem gewissen Grad Wärme transportieren, aber ohne Atmosphäre dürfte sich die sternabgewandte Seite abgekühlt und verfestigt haben, was den Wärmetransport zur Nachtseite begrenzt.

Eine andere Hypothese besagt, dass sich über dem Magmameer auf der Planetenoberfläche eine extrem dünne Gesteinsdampfschicht befindet. Modelle zeigen jedoch, dass eine solche „Dampfkappe“ allein nicht ausreicht, um einen derart deutlichen Kühleffekt zu erzielen. Anjali Piette, eine Wissenschaftlerin an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich, die an der Studie beteiligt war, wies darauf hin, dass zur vollständigen Erklärung dieser Beobachtungen eine dichte Atmosphäre voller flüchtiger Stoffe erforderlich sei. Starke Winde transportieren Wärme von der Tagseite zur Nachtseite, während Gase wie Wasserdampf einen Teil der Nahinfrarotstrahlung absorbieren, wodurch der vom Teleskop empfangene Lichtfluss verringert wird und der Planet „kühler“ erscheint. Helle Silikatwolken könnten die Atmosphäre auch weiter abkühlen, indem sie Sternenlicht reflektieren, fügte sie hinzu.

Während die Existenz einer Atmosphäre bestätigt wird, stellt sich eine weitere Schlüsselfrage: Wie kann ein so kleiner und heißer Planet unter intensiver Strahlung eine dichte Atmosphäre aufrechterhalten? Forscher gehen davon aus, dass zwar weiterhin ein Teil des Gases in den Weltraum entweichen muss, die Entweichungsrate jedoch möglicherweise viel geringer ist als ursprünglich erwartet. Tim Lichtenberg von der Universität Groningen in den Niederlanden schlug vor, dass es ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Magmameer auf der Oberfläche des Planeten und der Atmosphäre gibt: Einerseits entweicht kontinuierlich Gas aus dem Inneren des Planeten, um die Atmosphäre wieder aufzufüllen, andererseits „saugt“ das Magma einen Teil des Gases zurück in das Innere des Sterns.

Den Beobachtungen und Modellschlussfolgerungen zufolge muss TOI-561 b, um einen solchen Zustand aufrechtzuerhalten, viel reicher an flüchtigen Materialien sein als die Erde und kann treffend als „feuchte Lavakugel“ bezeichnet werden. Teske sagte, dass der neue Datensatz nicht nur erste klare Beweise liefert, sondern auch mehr neue Fragen als Antworten aufwirft, insbesondere zur Entstehung und langfristigen Entwicklung von Gesteinsplaneten mit ultrakurzer Periode.

Dieses Ergebnis ist das erste wissenschaftliche Ergebnis des Webb Telescope General Observer Project 3860. Das Projekt beobachtete das TOI-561-System mehr als 37 Stunden lang weiter, in denen der Planet fast vier Umdrehungen absolvierte. Das Team analysiert derzeit die vollständigen Daten weiter, um die Umfangstemperaturverteilung des Planeten abzubilden und seine atmosphärische Zusammensetzung genauer einzuschränken. Forscher des Carnegie Earth and Planetary Laboratory waren seit seiner Konzeption intensiv in das Webb-Projekt involviert und haben in den ersten vier Beobachtungszyklen des Teleskops mittlerweile mehr als zehn Themen geleitet, darunter viele hochmoderne Richtungen wie Exoplanetenatmosphären und Galaxienbildung.

Michael Walter, Direktor des Carnegie Earth and Planetary Laboratory, sagte, dass diese Durchbrüche in hohem Maße mit der langfristigen Sammlung der Agentur auf dem Gebiet der Planetenentwicklung und -dynamik übereinstimmen und das Gesamtverständnis der Menschheit über die Eigenschaften von Exoplaneten verbessern werden. Er prognostiziert, dass im kommenden Jahr eine neue Runde wissenschaftlicher Webb-Entdeckungen unter der Leitung des Carnegie-Teams entstehen wird, wenn mehr Beobachtungszeit genehmigt wird. In „Astrophysics Letters“ wurde eine entsprechende Forschungsarbeit mit dem Titel „Thick volatileAtmosphere on the Ultra-Hot Super Earth TOI-561 b“ veröffentlicht, in der die technischen Details und Schlussfolgerungen der Temperaturmessung, des Atmosphärenmodells und der Ableitung der inneren Struktur des Planeten detailliert beschrieben werden.

Zusammengestellt von /ScitechDaily