Das James-Webb-Teleskop enthüllt das Geheimnis der seltenen Salzwolkenatmosphäre auf dem „rosa Planeten“ GJ 504 b

Neueste Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) der NASA zeigen die Existenz seltsamer Wolken aus Salz um einen Exoplaneten mit dem Spitznamen „Rosa Planet“. Dies liefert direkte Beweise für die atmosphärische Struktur eines der kältesten planetenähnlichen Begleiter im Universum und löst ein Rätsel, das die astronomische Gemeinschaft seit mehr als einem Jahrzehnt beschäftigt. Die entsprechende Forschung wurde von der Northwestern University geleitet und am 18. Juni im Astronomical Journal veröffentlicht.

Der „rosa Planet“, offiziell GJ 504 b genannt, wurde erstmals 2013 entdeckt und umkreist einen sonnenähnlichen Stern, etwa 57 Lichtjahre von der Erde entfernt. Trotz seines Spitznamens „Planet“ sind sich Wissenschaftler nicht ganz sicher, ob er als echter Planet klassifiziert werden sollte – mit etwa der 25-fachen Masse des Jupiter liegt er nahe an der Trennlinie zwischen Riesenplaneten und Braunen Zwergen, weshalb Forscher ihn vorsichtiger als „Begleiter mit Planetenmasse“ bezeichnen, ein planetenähnliches Objekt, das einen Stern umkreist.

Aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur und schwachen Helligkeit war GJ 504 b lange Zeit schwierig zu untersuchen. Die meisten Exoplaneten, die bisher direkt abgebildet wurden, haben Temperaturen von etwa 1.000 bis 2.000 Grad Fahrenheit (etwa 538 bis 1.093 Grad Celsius), während GJ 504 b nur etwa 550 Grad Fahrenheit (etwa 290 Grad Celsius) hat, also etwa die gleiche Temperatur wie beim Brotbacken im Ofen. Das Forscherteam analysierte, dass dieser relativ „kalte“ Zustand sein sehr hohes Alter widerspiegelt – Riesenplaneten sind bei ihrer Geburt extrem heiß, kühlen sich aber im Laufe von Milliarden von Jahren allmählich ab. Das Alter von GJ 504 b wird auf 2,5 bis 4 Milliarden Jahre geschätzt.

Aneesh Baburaj, ein Postdoktorand am Center for Astrophysics (CIERA) der Northwestern University, der die Forschung leitete, wies darauf hin, dass „der rosa Planet das kälteste Begleitsternobjekt ist, das mit bodengestützten Instrumenten entdeckt wurde“. Im letzten Jahrzehnt oder so haben viele Teams versucht, die größten bodengestützten Teleskope der Welt zu nutzen, um Folgebeobachtungen durchzuführen, um atmosphärische Spektren zu erhalten, aber alle scheiterten, weil die Ziele zu lichtschwach waren. Im Vergleich dazu war das James Webb-Weltraumteleskop mit seinen hochempfindlichen Infrarot-Beobachtungsmöglichkeiten in der Lage, das atmosphärische Spektrum dieses Begleitsterns in etwa zwei Stunden Beobachtungszeit erfolgreich zu trennen und wurde so zu einem wichtigen neuen Werkzeug für die Untersuchung solcher „kalten, dunklen Welten“.

Bei dieser Beobachtung verwendeten die Forscher JWST, um eine kontrastreiche Abbildung des Hauptsterns und seines Begleitsterns durchzuführen, und nutzten fortschrittliche Datenverarbeitungsmethoden, um die starke Blendung des Muttersterns zu eliminieren, und extrahierten schließlich das vom Begleitstern selbst emittierte Spektralsignal. Durch die Aufteilung des Lichts in verschiedene Wellenlängen sind Wissenschaftler in der Lage, die chemischen „Fingerabdrücke“ in der Atmosphäre zu analysieren und daraus Rückschlüsse auf die Arten der darin vorhandenen Elemente und Moleküle zu ziehen. Nachdem das Spektrum erfolgreich ermittelt worden war, stellte das Team schnell fest, dass sich die atmosphärischen Eigenschaften des „rosa Planeten“ „sehr von allem unterschieden, was zuvor analysiert wurde“, sagte Baburaj.

Die Ergebnisse der Spektralanalyse zeigen, dass die Atmosphäre von GJ 504 b Wasserdampf, Methan, Kohlendioxid, Ammoniak und eine Vielzahl anderer molekularer Komponenten enthält. Als das Forscherteam diese Beobachtungen jedoch mit bestehenden Atmosphärenmodellen verglich, konnten sie die Daten zunächst nur knapp mit den Daten vergleichen, als unrealistische Extrembedingungen eingeführt wurden, was eindeutig dem gesunden Menschenverstand der Physik widersprach. Der eigentliche Durchbruch gelang, nachdem Wissenschaftler begannen, Wolken in ihre Simulationen einzubeziehen: Als verschiedene Arten von Wolken in das Modell eingeführt und ihre Auswirkungen auf das Spektrum einzeln getestet wurden, stimmte das Salzwolkenmodell viel besser mit den gemessenen Daten überein als andere Optionen.

Die Studie weist darauf hin, dass diese Salzwolken möglicherweise die tieferen Schichten der Planetenatmosphäre verdeckt haben, was dazu führte, dass die schließlich vom JWST erfassten Spektralsignale hauptsächlich aus Regionen über oder in der Nähe der Wolken kamen, wodurch sich die Eigenschaften der molekularen Absorption und Streuung veränderten. Baburaj sagte: „Nachdem wir der Simulation Wolken hinzugefügt hatten, stimmten die Ergebnisse allmählich mit unserem theoretischen Verständnis von kalten Planeten überein. Wir haben drei verschiedene Wolkentypen ausprobiert, und das Salzwolkenschema passte am besten.“ Nach Berücksichtigung des Einflusses von Salzwolken wurden die Eigenschaften der in tieferen Schichten verborgenen atmosphärischen Moleküle leicht abgeschwächt und das Spektralmodell wurde schließlich physikalisch sinnvoll.

Es wird angenommen, dass diese Arbeit der erste direkte Beweis für die Existenz von Salzwolken in der Atmosphäre eines kalten Planetenmassenobjekts ist und außerdem eine Reihe theoretischer Vorhersagen bestätigt, die vor mehr als einem Jahrzehnt von der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgestellt wurden. Gleichzeitig zeigen Beobachtungen auch, dass GJ 504 b ungewöhnlich reich an schweren Elementen ist – anderen Elementen als Wasserstoff und Helium, die Astronomen gemeinsam als „Metalle“ bezeichnen – was bedeuten könnte, dass sich sein Entstehungsprozess von dem gewöhnlicher Riesenplaneten unterscheidet. Anhand der vorhandenen Daten kann das Forschungsteam noch nicht feststellen, ob der Himmelskörper näher an einem „Riesenplaneten“ liegt, der durch die Ansammlung von Planetenscheiben entstanden ist, oder ob er eher einem kleinen Stern oder Braunen Zwerg ähnelt, der durch Gravitationskollaps entstanden ist. Die Frage nach ihrem Ursprung bedarf noch eingehenderer Untersuchungen.

Die Forscher betonten, dass die vom James Webb Telescope in dieser Studie demonstrierte Methode ein neues Fenster für die Erforschung ähnlicher schwacher und kalter Objekte öffnen wird. Jupiter zum Beispiel hat dicke Wolken aus Ammoniakeis, die seine obere Atmosphäre bedecken, aber mit vorhandenen Instrumenten ist es immer noch nicht möglich, diese Wolkenstrukturen mit einem ähnlichen Detaillierungsgrad wie GJ 504 b zu beobachten. Die erfolgreiche Entdeckung von Salzwolken in der Atmosphäre von GJ 504 b zeigt heute, dass Astronomen die Arten kalter Welten, die im Detail untersucht werden können, stetig erweitern, was eine wichtige Referenz für die zukünftige Erforschung von Wolken und atmosphärischen Strukturen innerhalb und außerhalb des Sonnensystems darstellt.

Baburaj wies darauf hin, dass dies das erste Mal sei, dass Salzwolken eine „entscheidende Rolle“ bei der Interpretation des Spektrums eines Objekts mit kalter Planetenmasse spielen, was wichtige Auswirkungen auf die Erstellung und Korrektur von Atmosphärenmodellen hat. Er erinnerte: „Dies ist eine wichtige Erinnerung: Das Vorhandensein und die Auswirkungen von Wolken müssen in Simulationen systematischer berücksichtigt werden.“ Während JWST weiterhin kontrastreiche Bildgebung und spektroskopische Beobachtungen durchführt, gehen Wissenschaftler davon aus, dass weitere Exobegleiter im kalten Dunkeln wie GJ 504 b eingehend untersucht werden, um den Menschen dadurch zu einem umfassenderen Verständnis der verschiedenen Planeten und substellaren Welten im Universum zu verhelfen.