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Ferne Welten : Der Schlüssel zum Verständnis der Exoplaneten

Der Exoplanet Wasp-107b in künstlerischer Darstellung vor seinem Heimatstern Bild: ESA/Hubble, NASA, M. Kornmesser

Die Zahl bekannter Exoplaneten steigt rasant. Aber wie sieht es dort tatsächlich aus? Um diese Frage zu beantworten, muss man die Atmosphären der Planeten kennen.

          3 Min.

          Für uns Menschen ist und bleibt die Erde mit ihrer vollkommenen Abstimmung auf unsere menschlichen Bedürfnisse etwas Einzigartiges. Und doch wissen wir mittlerweile, dass sie – kosmisch gesehen – nur ein Planet unter vielen ist. Knapp 4000 Exoplaneten kennen wir heute. Eine beeindruckende Zahl, wenn man bedenkt, dass die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems überhaupt erst vor dreißig Jahren langsam begonnen hat, Früchte zu tragen. Wie breit das Spektrum der planetaren Eigenschaften ist, konnten seitdem große Himmelsdurchmusterungen offenbaren: Systeme mit unterschiedlichsten Zentralgestirnen wurden entdeckt, Planeten mit verschiedensten Massen, Größen, Temperaturen und Bahneigenschaften.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Wie es auf den Exoplaneten tatsächlich aussieht, ob sie den Körpern in unserem Sonnensystem oder gar unserer Erde ähneln, weiß man auf der Grundlage solch makroskopischer Eigenschaften allerdings noch nicht. Notwendig dafür ist die Kenntnis der chemischen Zusammensetzung und physikalischen Gegebenheiten in ihren Atmosphären, die nicht nur darüber entscheidet, wie warm es auf einem Planeten tatsächlich ist, sondern anhand ihrer Chemie auch Hinweise auf dessen Entstehungsgeschichte und sein Inneres gibt.

          Für das Studium der Atmosphären von Exoplaneten gibt es zwei Klassen von Methoden: diejenigen, die den Exoplaneten anhand zeitabhängiger Signale indirekt nachweisen und diejenigen, die mit räumlich aufgelösten Bildern und Spektren eine direkte Beobachtung liefern. Die grundlegende Herausforderung der zweiten Gruppe von Verfahren besteht darin, dass der Heimatstern seinen Planeten bei weitem überstrahlt. Sie können daher besonders gut dann eingesetzt werden, wenn der Planet heiß, groß und relativ weit von seinem Heimatstern entfernt ist.

          Durchstrahlte Atmosphären

          Zur ersten Klasse zählt die verbreitete und bislang bei der Entdeckung von Exoplaneten erfolgreichste Transit-Methode, bei der der Planet vor seinem Heimatstern vorbeiläuft. Beim Transit des Planeten durchquert das Licht des Sterns die obere Atmosphäre des Planeten und wird dort bei bestimmten Wellenlängen absorbiert. Diese Wellenlängen können dann den elektromagnetischen Übergängen der in der Atmosphäre existierenden chemischen Spezies zugeordnet werden. Aus geometrischen Gründen wird dabei insbesondere der Teil der Atmosphäre an der Tag-Nacht-Grenze untersucht. Bevorzugt werden außerdem diejenigen Regionen, die einen so geringen Druck aufweisen, dass die Absorptionslinien nur wenig Druckverbreiterung aufweisen und entsprechend schmal und tief ausfallen. Behindert wird die Methode, wenn in diesen Regionen der Atmosphäre Nebel und Wolken auftreten, die als zusätzliche Absorptionsquellen die Spektrallinien schwächen.

          Wie viele Informationen in Transmissionsspektren tatsächlich stecken kann, demonstriert eine aktuelle, im Journal „Nature“ veröffentlichte Studie. Eine internationale Gruppe von Astronomen nutzte das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (Eso) dafür, Absorptionslinien verschiedener Alkalimetalle in der Atmosphäre des „heißen Saturns“ WASP-96b aufzunehmen. Dieser Gasriese, der halb so schwer, aber etwas größer als der Jupiter ist, wurde 2013 entdeckt. Die neuen Beobachtungen offenbaren erstmalig auch die Flügel der Spektrallinien im optischen Wellenlängenbereich, die durch Druckverbreiterung entstehen und damit Hinweise auf die Physik tieferer Atmosphärenschichten liefern. Die Modellierung der Linien ergab, dass WASP-96b als erster bekannter Exoplanet seiner Art offenbar wolkenfrei ist. Außerdem konnten die Forscher aus den Daten die Häufigkeit schwerer Elemente ableiten.

          Noch liefert das Hubble Weltraumteleskop kostbare Daten. Bald soll das James-Webb-Weltraumteleskop seine Nachfolge antreten.

          Ein Planet, der seine Atmosphäre verliert

          Eine weitere, in der vergangenen Woche in „Nature“ veröffentlichte Studie verwendet Transmissionsspektren des Hubble-Weltraumteleskops, um nachzuweisen, dass der rund 200 Lichtjahre entfernte Gasriese WASP-107b große Teile seiner Atmosphäre verliert. Seine geringe Masse – etwa ein Achtel des Jupiters bei ähnlicher Größe – reicht nicht aus, um die äußeren Gebiete seiner Atmosphäre dauerhaft an sich zu binden. Das Besondere an dieser Arbeit: Erstmalig gelang es, Spektrallinien von atmosphärischem Helium nachzuweisen, dem zweithäufigsten Element im Universum nach Wasserstoff.

          Helium ist für den Nachweis ausgedehnter Atmosphären das Element der Wahl, nicht nur aufgrund seiner Häufigkeit, sondern auch, weil es einen spektralen Übergang im Infraroten besitzt. Die meisten anderen Atome, die sich im dünnen Gas der äußeren Atmosphäre im energetischen Grundzustand befinden, absorbieren im sehr viel schwerer zugänglichen ultravioletten Spektralbereich. Die Forscher zeigten, dass WASP-107b einen kometenartigen Schweif besitzt, bestehend aus Gas, das vom Strahlungsdruck seines Heimatsterns davongeblasen wird. Die Arbeit kann für zukünftige Studien exoplanetaren Heliums wegweisend sein, insbesondere, wenn mit dem James-Webb-Weltraumteleskop hoffentlich bald ein neues, leistungsfähiges Instrument zur Verfügung steht, das 2020 starten soll.

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