Das James Webb Space Telescope hat einen fernen Planeten jenseits unseres Sonnensystems beobachtet und offenbart, dass er wahrscheinlich eine hochgradig reflektierende Welt mit einer dampfigen Atmosphäre ist. Es ist der bislang detailreichste Blick auf die rätselhafte Welt – einen „Mini-Neptun“, der für frühere Beobachtungen weitgehend undurchdringlich war. Und obwohl der Planet namens GJ 1214 b zu heiß ist, um Meere aus flüssigem Wasser zu beherbergen, könnte gasförmiges Wasser ein Hauptbestandteil seiner Atmosphäre sein.
„Der Planet ist vollständig in eine Art Dunst oder Wolkenschicht eingehüllt“, sagte Eliza Kempton von der University of Maryland, die Hauptautorin einer neuen Nature-Studie über den Planeten. „Die Atmosphäre blieb bis zu dieser Beobachtung einfach völlig verborgen für uns.“ Sie betonte, dass der Planet, sofern er tatsächlich wasserreich ist, zur Zeit seiner Entstehung eine Wasserwelt mit großen Mengen Wasser und Eis gewesen sein könnte.
Um eine solch dicke Barriere zu durchdringen, versuchte das Forschungsteam einen neuen Ansatz: Neben Standardbeobachtungen, die das Licht des Heimatsterns einfangen, welches durch die planetare Atmosphäre gefiltert wurde, verfolgten die Forscher GJ 1214 b auch während fast eines gesamten Umlaufs um den Stern.
Die Beobachtungen demonstrieren die Leistungsfähigkeit von Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI), das Wellenlängen jenseits des von Menschen wahrnehmbarem Teil des elektromagnetischen Spektrums registriert. Mit MIRI konnte das Team eine Art „Wärmekarte“ des Planeten während der Umkreisung seines Sterns erstellen. Die Wärmekarte zeigte kurz vor dem Verschwinden hinter dem Stern und nach dem Wiederauftauchen sowohl die Tagseite als auch die Nachtseite des Planeten und verriet Einzelheiten über die Zusammensetzung der Atmosphäre.
„Die Möglichkeit, einen vollständigen Umlauf um den Stern zu verfolgen, war entscheidend dafür zu verstehen, wie der Planet die Wärme von der Tagseite auf die Nachtseite verteilt“, sagte Kempton. „Es gibt einen großen Unterschied zwischen Tag und Nacht. Die Nachtseite ist kälter als die Tagseite.“ Tatsächlich veränderte sich die Temperatur von 279 Grad Celsius auf 165 Grad Celsius.
Eine solch große Veränderung ist nur in einer Atmosphäre aus schwereren Molekülen wie Wasser oder Methan möglich, die einander ähneln, wenn sie von MIRI beobachtet werden. Das bedeutet, dass die Atmosphäre von GJ 1214 b größtenteils nicht aus leichteren Wasserstoffmolekülen besteht. Das ist laut Kempton ein wichtiger Hinweis auf die Geschichte und Entstehung des Planeten und vielleicht auf seine wasserreiche Frühzeit.
„Das ist keine primordiale Atmosphäre“, sagte sie. „Sie spiegelt nicht die Zusammensetzung des Heimatsterns wider. Stattdessen hat sie entweder viel Wasserstoff verloren, falls sie wasserstoffreich startete, oder sie wurde aus schwereren Elementen gebildet – mehr eishaltiges, wasserreiches Material.“
Kühler als erwartet
Obwohl der Planet in menschlichen Maßstäben heiß ist, ist er viel kühler als erwartet. Das liegt an seiner ungewöhnlich reflektierenden Atmosphäre, die für die Forscher eine Überraschung war: Sie reflektiert einen großen Anteil des Lichts von dem Zentralstern anstatt es zu absorbieren und heißer zu werden.
Die neuen Beobachtungen könnten die Tür zu einem besseren Wissen über einen Planetentyp sein, der sich in Unsicherheiten hüllt. Mini-Neptune oder Sub-Neptune, wie sie in der Studie genannt werden, sind der häufigste Planetentyp in der Galaxie, aber für uns rätselhaft, weil es sie in unserem Sonnensystem nicht gibt. Messungen zeigen bislang, dass sie einer kleineren Version unseres eigenen Neptuns gleichen. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt.
„In den letzten knapp zehn Jahren wussten wir über diesen Planeten nur, dass die Atmosphäre wolkig oder dunstig ist“, sagte Rob Zellem, ein Exoplanetenforscher, der mit der Co-Autorin Tiffany Kataria vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien zusammenarbeitet. „Diese Studie hat wirklich tolle Auswirkungen für weitere detaillierte Klimainterpretationen. Man betrachtet die physikalischen Abläufe, die innerhalb der Atmosphäre dieses Planeten stattfinden.“
Die neue Arbeit spricht dafür, dass der Planet weiter von seinem Stern entfernt entstanden sein könnte – ein Sterntyp, der als roter Zwergstern bezeichnet wird. Dann bewegte er sich langsam und spiralförmig nach innen auf seine aktuelle, nahe Umlaufbahn. Das Jahr auf diesem Planeten (eine Umkreisung seines Sterns) dauert nur 1,6 Erdtage.
„Wenn man einen sehr wasserreichen Planeten findet, lautet die einfachste Erklärung, dass er weiter von seinem Zentralstern entfernt entstand“, sagte Kempton.
Weitere Beobachtungen sind erforderlich, um mehr Einzelheiten über GJ 1214 b zu erfahren, sowie über die Entstehungsgeschichten von anderen Planeten der Mini-Neptun-Klasse. Obwohl eine wasserreiche Atmosphäre für diesen Planeten als wahrscheinlich erscheint, ist ebenfalls ein hoher Methananteil möglich. Genauere Schlussfolgerungen darüber, wie Mini-Neptune entstehen, wird weitere, detaillierte Beobachtungen dieses Planetentyps erfordern.
„Durch die Beobachtung einer ganzen Population von Objekten wie diesem können wir hoffentlich eine konsistente Geschichte aufbauen“, sagte Kempton.
(THK)
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