Ein internationales Forschungsteam hat Daten über 25 Exoplaneten analysiert und einige Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Atmosphären gefunden, darunter die Thermalprofile und Häufigkeiten chemischer Elemente in ihnen. Dies ist das erste Mal, dass die Atmosphären von Exoplaneten als Populationen untersucht wurden und nicht als eigenständige Strukturen. Diese Ergebnisse werden bei der Erstellung einer allgemeinen Theorie zur Planetenbildung helfen, die unser Wissen über alle Planeten verbessern wird, die Erde eingeschlossen.
Heute gibt es mehr als 5.000 bestätigte Exoplaneten – das sind Planeten, die um andere Sterne als die Sonne kreisen. Weil sie weit von der Erde entfernt sind, ist es schwierig, sie detailliert zu untersuchen. Die Bestimmung der Eigenschaften von nur einem einzigen Exoplaneten ist schon eine bemerkenswerte Leistung.
In dieser Studie nutzten Astronomen Archivdaten über 25 heiße Jupiter – das sind Gasriesen, die ihre Zentralsterne in geringem Abstand umkreisen. Die Daten umfassten 600 Beobachtungsstunden mit dem Weltraumteleskop Hubble und mehr als 400 Beobachtungsstunden mit dem Weltraumteleskop Spitzer.
Eine der von dem Team untersuchten Eigenschaften war die Präsenz oder das Fehlen einer thermalen Inversion. Planetare Atmosphären fangen Hitze ein, deshalb nimmt die Temperatur im Allgemeinen zu, je tiefer man in die Atmosphäre vordringt. Aber manche Planeten zeigen eine thermale Inversion, bei der eine obere Atmosphärenschicht wärmer ist als die Schicht darunter. Auf der Erde verursacht die Präsenz von Ozon eine thermale Inversion.
Das Team stellte fest, dass fast alle heißen Jupiter mit einer thermalen Inversion ebenfalls Hinweise auf Wasserstoffanionen (H–) und metallische Substanzen wie Titanoxid (TiO), Vanadiumoxid (VO) oder Eisenhydrid (FeH) zeigten. Im Gegensatz dazu wiesen Exoplaneten ohne diese Substanzen fast nie eine thermale Inversion auf. Es ist schwierig, allein auf Korrelationen basierende Schlussfolgerungen zu ziehen, aber weil diese metallischen Substanzen effiziente Absorber für Sternlicht sind, besagt eine Theorie, dass diese Substanzen Licht des Zentralsterns absorbieren und einen Temperaturanstieg verursachen, wenn sie in der Atmosphäre präsent sind.
Masahiro Ikoma vom National Astronomical Observatory of Japan, ein Co-Autor dieser Studie, erklärte: „Die von mir und meinen Studenten vorgeschlagene Theorie zur Entstehung von Gasriesen sagte die Vielfalt der Zusammensetzung der Atmosphären von heißen Jupitern voraus und regte mit zu dieser systematischen Erforschung der atmosphärischen Eigenschaften an.“
Diese neue Studie identifiziert Populationen ähnlicher exoplanetarer Atmosphären und wird helfen, die theoretischen Modelle zu verfeinern, was uns einem umfassenderen Verständnis der Planetenentstehung näherbringt. In den kommenden zehn Jahren werden Weltraumteleskope der neuesten Generation, darunter das James Webb Space Telescope, Twinkle und Ariel, Daten über tausende Exoplaneten liefern. Das wird neue Kategorien für die Klassifizierung von Exoplaneten jenseits der in dieser Studie genutzten Methoden ermöglichen und erfordern.
Studie: „Five key exoplanet questions answered via the analysis of 25 hot Jupiter atmospheres in eclipse“ von Changeat et al. in The Astrophysical Journal Supplement Series, 25. April 2022.
(THK)
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