„Clear Skies“ auf dem Exoplaneten HAT-P-11b im Sternbild Schwan

Mit Daten der Weltraumteleskope Hubble, Spitzer und Kepler haben Astronomen klaren Himmel und dunstigen Wasserdampf auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Der Planet mit der Bezeichnung HAT-P-11b hat etwa die Größe des Neptun, was ihn zum bisher kleinsten Exoplaneten macht, auf dem Wasserdampf registriert wurde. Die Ergebnisse erschienen am 24. September 2014 in der Onlineausgabe des Journals Nature.

Die Entdeckung ist ein Meilenstein auf dem Weg, letztendlich Moleküle in den Atmosphären von kleineren Gesteinsplaneten zu finden, die der Erde mehr ähneln. Wolken in den Atmosphären von Planeten können den Blick auf das verbergen, was unter ihnen liegt. Der molekulare Aufbau dieser unteren Regionen kann wichtige Informationen über die Zusammensetzung und Geschichte eines Planeten offenbaren. Klaren Himmel auf einem neptungroßen Planeten zu finden, ist ein gutes Anzeichen dafür, dass einige kleinere Planeten ebenfalls eine vergleichbar gute Sichtbarkeit aufweisen könnten.

„Wenn Astronomen nachts den Himmel mit Teleskopen beobachten, wünschen sie ‚clear skies!‘ (klaren Himmel!) im Sinne von ‚viel Glück!'“, sagte Jonathan Fraine von der University of Maryland, der leitende Autor der Studie. „In diesem Fall fanden wir klaren Himmel auf einem entfernten Planeten. Das ist gut für uns, weil es bedeutet, dass keine Wolken unseren Blick auf die Wassermoleküle verdecken.“

HAT-P-11b ist ein sogenannter Exoneptun – ein neptungroßer Planet, der einen anderen Stern umkreist. Er liegt etwa 120 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Cygnus (Schwan). Anders als Neptun umkreist dieser Planet seinen Stern in geringer Entfernung, so dass er für eine Umrundung fünf Tage benötigt. Er ist eine warme Welt, von der man annimmt, dass sie einen Gesteinskern, einen Mantel aus Fluiden und Eis und eine dichte Gasatmosphäre besitzt. Bis jetzt war nicht viel mehr über die Zusammensetzung dieses Planeten oder anderer Exoneptune bekannt.

Ein Teil der Herausforderung bei der Analyse von planetaren Atmosphären ist die Größe der Planeten. Größere, jupiterähnliche Planeten sind leichter zu beobachten, und Forscher konnten bereits Wasserdampf in den Atmosphären von einigen dieser Riesenplaneten nachweisen. Kleinere Planeten sind schwerer zu untersuchen, und die kleineren Planeten, die bislang beobachtet wurden, scheinen wolkenverhangen zu sein.

Das Team verwendete Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3) und eine Technik namens Transmissionsspektroskopie, bei der ein Planet beobachtet wird, während er vor seinem Zentralstern vorbeizieht. Das Licht des Sterns dringt durch den Rand der Planetenatmosphäre und dann in das Teleskop. Wenn Moleküle wie Wasserdampf vorhanden sind, absorbieren sie einen Teil des Lichts und hinterlassen charakteristische Signaturen in dem Licht, das unsere Teleskope erreicht.

„Wir wollten die Atmosphäre von HAT-P-11b untersuchen, ohne zu wissen, ob sein Wetter wolkig sein würde oder nicht“, sagte Nikku Madhusudhan von der University of Cambridge (Großbritannien), ein Mitglied des Forschungsteams. „Indem wir die Transmissionsspektroskopie anwandten, konnten wir Hubble benutzen, um Wasserdampf auf dem Planeten nachzuweisen. Das sagte uns, dass der Planet keine dichten Wolken besitzt, welche den Blick behindern. Es ist ein sehr vielversprechendes Zeichen dafür, dass wir in Zukunft weitere wolkenlose, kleine Planeten finden und analysieren können. Es ist bahnbrechend.“

Zoom in den Himmelsausschnitt, in dem sich der Exoplanet HAT-P-11b befindet. (NASA , ESA, J. Fraine)

Bevor das Team feiern konnte, mussten die Forscher sicher sein, dass der Wasserdampf von dem Planeten stammte und nicht von kühlen Sternflecken auf dem Zentralstern. Glücklicherweise hatte Kepler den Himmelsausschnitt, in dem sich HAT-P-11b befindet, jahrelang beobachtet. Diese Daten im sichtbaren Licht wurden mit gezielten Infrarotbeobachtungen Spitzers kombiniert. Durch Vergleichen der Datensätze konnten die Astronomen bestätigen, dass die Sternflecken zu heiß waren, um Wasserdampf zu enthalten. Daher muss der registrierte Wasserdampf zu dem Planeten gehören.

Die Ergebnisse aller drei Teleskope demonstrieren, dass HAT-P-11b in Wasserdampf, Wasserstoffgas und andere noch zu identifizierende Moleküle gehüllt ist. Damit ist er nicht nur der kleinste Planet, in dessen Atmosphäre man Wasserdampf gefunden hat, sondern er ist auch der kleinste Planet, auf dem man mittels Spektroskopie Moleküle jeglicher Art direkt nachgewiesen hat. Theoretiker werden neue Modelle erstellen, um den Aufbau und den Ursprung des Planeten zu erklären.

Obwohl HAT-P-11b als Exoneptun bezeichnet wird, gleicht er in Wirklichkeit keinem Planeten in unserem Sonnensystem. Man vermutet, dass Exoneptune unterschiedliche Zusammensetzungen haben könnten, in denen sich ihre Entstehungsgeschichten widerspiegeln. Neue Entdeckungen wie diese können Astronomen helfen, eine Theorie über den Ursprung dieser entfernten Welten zusammenzufügen. „Wir arbeiten uns auf dem Weg von heißen Jupitern runter zu Exoneptunen vor“, sagte Drake Deming von der University of Maryland, ein Co-Autor der Studie. „Wir wollen unser Wissen bis in einen umfangreichen Bereich von Explaneten ausdehnen.“

Die Astronomen planen, in Zukunft weitere Exoneptune zu untersuchen und hoffen, die gleiche Methode auf kleinere Supererden anwenden zu können – das sind massereiche, felsige Cousins unserer Heimatwelt mit bis zu zehnfacher Erdmasse. Unser Sonnensystem enthält keine Supererde, aber andere Teleskope finden solche Supererden häufig um andere Sterne. Das James Webb Space Telescope der NASA / ESA, dessen Start für das Jahr 2018 geplant ist, wird Supererden nach Hinweisen auf Wasserdampf und andere Moleküle absuchen. Belege für Ozeane und potenziell bewohnbare Welten zu finden, ist aber wahrscheinlich noch ein weiter Weg.

Diese Arbeit ist wichtig für zukünftige Untersuchungen von Supererden und sogar noch kleineren Planeten. Sie könnte Astronomen ermöglichen, im Vorfeld die Planeten mit Atmosphären auszuwählen, die klar genug sind, damit Moleküle registriert werden können. Einmal mehr werden Astronomen ihre Finger für „clear skies“ kreuzen.

Abhandlung: „Water vapour absorption in the clear atmosphere of a Neptune-sized exoplanet„

Quelle: http://www.spacetelescope.org/news/heic1420/

(THK)