Astronomen untersuchen eine "Dampfwelt" 🪐

Eine internationale Studie unter kanadischer Leitung hat neue Erkenntnisse über die Atmosphäre des Exoplaneten GJ 9827 d – im Orbit um den Stern GJ 9827 im Sternbild Fische, etwa 98 Lichtjahre von der Erde entfernt – mithilfe des Weltraumteleskops James Webb (JWST) gewonnen.


Die Astronomen zeigten, dass die Atmosphäre des Planeten eine hohe Konzentration an schwereren Molekülen aufweist, darunter eine erhebliche Ansammlung von Wasserdampf, was sie zu der Annahme veranlasst, dass es sich sehr wohl um eine "Dampfwelt" handeln könnte.

Die in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Studie wurde von Caroline Piaulet-Ghorayeb, Doktorandin am Trottier-Institut für Exoplanetenforschung (iREx) der Universität Montreal, in Zusammenarbeit mit Forschern aus mehreren Ländern durchgeführt.


Anfang des Jahres hatten Mitglieder des iREx-Teams mit Hilfe von Daten des Weltraumteleskops Hubble (HST) berichtet, dass sie Wasser in der Atmosphäre des Exoplaneten GJ 9827 d entdeckt hätten, was ihn aufgrund seiner Größe – etwa doppelt so groß wie die Erde – zum kleinsten Exoplaneten mit einer nachgewiesenen Atmosphäre macht.

Diese wichtigen Entdeckungen eröffnen neue Möglichkeiten für die Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems und verbessern unser Verständnis der Planetenbildung und -zusammensetzung.

Ein bisher unerreichbares Ziel

Über Jahre hinweg konzentrierten Wissenschaftler ihre Bemühungen auf den Nachweis von Atmosphären um große Gasriesen und Mini-Neptune (Planeten, die viel größer als die Erde sind und deren Atmosphäre hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, ähnlich wie Jupiter und Neptun im Sonnensystem).

Aber bis heute blieb der Nachweis von Atmosphären um kleinere Planeten, die näher an der Erdgröße liegen, ein unerreichbares Ziel.

"Bis jetzt sind alle Planeten, bei denen wir eine Atmosphäre nachweisen konnten, entweder Gasriesen oder bestenfalls Mini-Neptune", sagt Caroline Piaulet-Ghorayeb, Hauptautorin der Studie. "Diese Planeten haben Atmosphären, die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen, was sie mehr an die Gasriesen im Sonnensystem erinnert als an felsige Planeten wie die Erde, deren Atmosphären von schwereren Elementen dominiert werden."

Reich an schwereren Molekülen

Die Besonderheit des Exoplaneten GJ 9827 d liegt in der Zusammensetzung seiner Atmosphäre.

Durch die Kombination von Daten der Teleskope James Webb und Hubble, zeigt Caroline Piaulet-Ghorayeb, dass im Gegensatz zu den Atmosphären großer, wasserstoffdominierter Planeten die Atmosphäre von GJ 9827 d eine hohe Konzentration an schwereren Molekülen und eine beträchtliche Menge Wasserdampf enthält.

Diese Entdeckung markiert den ersten soliden Nachweis einer Exoplanetenatmosphäre, in der Wasserstoff nicht der Hauptbestandteil ist, was auf eine schwerere, wasserreiche Atmosphäre hindeutet.


"Das Molekulargewicht dieser Atmosphäre ist eher vergleichbar mit den gegenwärtig gesuchten, kohlenstoffdioxid- oder stickstoffreichen Atmosphären kleiner, felsiger Planeten, auf denen wir möglicherweise nach Leben suchen könnten", ergänzt Caroline Piaulet-Ghorayeb.

Diese Beobachtungen wurden dank des kanadischen Instruments am JWST, dem Nahinfrarot-Bildgeber und schlitzlosen Spektrographen (NIRISS für Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), durchgeführt. Mit Hilfe der Transmissionsspektroskopie analysierte das Forscherteam das Licht des Sterns, das die Atmosphäre des Planeten durchquert, während dieser vor seiner Muttersonne GJ 9827 vorbeizieht.

Das Team kombinierte die neuen Erkenntnisse des JWST mit früheren HST-Beobachtungen, um mit Sicherheit zu zeigen, dass die untersuchten Spektrallinien tatsächlich auf die Atmosphäre des Planeten zurückzuführen sind und nicht auf eine Kontamination durch den Stern des Systems.

Dank der SOSS-Daten des NIRISS können Astronomen schließlich zwei Arten von Atmosphären für den Planeten unterscheiden: Eine ist wolkig und enthält nur wenige schwere Elemente, hauptsächlich Wasserstoff und einige Spuren von Wasser; die andere ist sehr dicht und enthält viele schwere Elemente, darunter viel Wasser.

Da der Exoplanet GJ 9827 d sich nahe an seinem Stern befindet, ist seine Atmosphäre wahrscheinlich eine Mischung aus Gasen in einem überhitzten und dichten Zustand, anstatt in Schichten oder Wolkenstrukturen vorzuliegen.

Wahrscheinlich nicht bewohnbar

Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass der Exoplanet GJ 9827 d bewohnbar ist, da er nahe an seinem Mutterstern liegt und daher hohe Oberflächentemperaturen aufweist (etwa 350 °C), stellt diese Entdeckung einen Fortschritt auf der Suche nach bewohnbaren Umgebungen dar.

Die Existenz einer schweren und wasserreichen Atmosphäre auf einem kleinen Planeten wie GJ 9827 d beweist, dass solche Atmosphären existieren und mit der hohen Genauigkeit des JWST untersucht werden können. Dies macht die Aussicht, bewohnbare Planeten zu finden, die der Erde ähneln, wahrscheinlicher.


"Dies ist ein bedeutender Schritt in der Suche nach Atmosphären um kleinere, erdähnliche Planeten", erklärt Caroline Piaulet-Ghorayeb. "Der Exoplanet GJ 9827 d ist der erste Planet, bei dem wir eine Atmosphäre entdecken, die reich an schwereren Molekülen ist, ähnlich wie die terrestrischen Planeten im Sonnensystem, und das erste seit langem bestätigte Beispiel für eine von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vorgeschlagene „Dampfwelt“."

Es wird angenommen, dass diese „Dampfwelten“ dicke, wasserreiche Atmosphären ohne eisige oder flüssige Wasserschichten an der Oberfläche haben und aufgrund ihrer Nähe zu ihrem Stern eine Dampfphase beibehalten. Sie ähneln den eisigen Monden Europa und Ganymed, befinden sich aber nah genug an ihrem Stern, dass Wasser in Form von Dampf und nicht als Eisschicht in der Atmosphäre vorkommt.

Die Astronomen hoffen, dass weitere JWST-Beobachtungen des Exoplaneten GJ 9827 d, die in den kommenden Monaten geplant sind, mehr Aufschluss über die Bestandteile seiner Dampfatmosphäre geben werden.

Quelle: Universität Montreal