Mithilfe des Weltraumteleskops hat ein Astronomenteam mit noch nie dagewesener Präzision zwei Heliumschweife entdeckt, die vom Exoplaneten WASP-121b entweichen.
Astronomen der Universität Genf (UNIGE), des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS und des Trottier-Instituts für Exoplanetenforschung (IREx) der Universität Montreal (UdeM) haben eine erstaunliche Entdeckung mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) gemacht. Zum allerersten Mal haben Wissenschaftler den entweichenden Atmosphärenhüllen eines Exoplaneten während eines vollständigen Orbits kontinuierlich überwacht.
Ergebnis: Der Gasriese WASP-121b ist nicht von einem, sondern von zwei riesigen Heliumschweifen umgeben, die sich über mehr als die Hälfte seines Weges um seinen Stern erstrecken. Diese Beobachtungen, kombiniert mit den an der UNIGE entwickelten numerischen Modellen, bieten das bislang detaillierteste Bild des Phänomens des Atmosphärenverlusts, eines Prozesses, der einen Planeten im Laufe der Zeit tiefgreifend verändern kann. Die Ergebnisse sind in
Nature Communications veröffentlicht.
Diese künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-121 b zeigt seinen beeindruckenden doppelten Heliumschweif, der sich über fast 60 % seiner Umlaufbahn um seinen Mutterstern erstreckt.
© B. Gougeon/UdeM Aus der Familie der ultraheißen Jupiter ist WASP-121b ein riesiger Gasplanet, der so nah um seinen Stern kreist, dass sein Umlauf nur 30 Stunden dauert. Die intensive Strahlung des Sterns heizt seine Atmosphäre auf mehrere tausend Grad auf, was es leichten Gasen wie Wasserstoff und Helium ermöglicht, in den Weltraum zu entweichen. Über Millionen von Jahren kann dieser langsame Atmosphärenverlust die Größe, Zusammensetzung und zukünftige Entwicklung des Planeten verändern.
Bislang hatten Wissenschaftler nur kurze Einblicke in diese atmosphärischen Ströme während planetarer Transits erhalten, also in jenen wenigen Stunden, in denen der Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Ohne kontinuierliche Überwachung war es unmöglich zu wissen, wie weit sich diese Ströme erstrecken oder wie sie sich entwickeln.
Mithilfe des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRISS) des James-Webb-Weltraumteleskops beobachteten die Wissenschaftler WASP-121b fast 37 Stunden lang ununterbrochen und deckten dabei mehr als einen vollständigen Umlauf ab. Es handelt sich um die bisher vollständigste kontinuierliche Beobachtung von Helium auf einem Planeten.
Wir waren unglaublich überrascht zu sehen, wie anhaltend der Heliumverlust war.
Zwei riesige Gasschweife
Indem sie die Absorption von Heliumatomen im Infrarotbereich verfolgten, entdeckten die Wissenschaftler, dass das Gas, das WASP-121b umgibt, weit über den Planeten selbst hinausreicht. Das Signal hält über mehr als die Hälfte der Umlaufbahn an und stellt damit die längste jemals beobachtete kontinuierliche Detektion von Atmosphärenverlust dar.
Noch bemerkenswerter: Die Heliumpartikel bilden zwei verschiedene Schweife. Einen nachlaufenden Schweif, der von der Strahlung und dem stellaren Wind weggedrückt wird, und einen vorderen Schweif, der sich vor dem Planeten krümmt und wahrscheinlich von der Schwerkraft des Sterns angezogen wird. Zusammen bedecken diese beiden "Ausströmungen" eine Entfernung, die mehr als dem 100-fachen des Durchmessers des Planeten entspricht, also mehr als dem Dreifachen der Entfernung zwischen dem Planeten und seinem Stern.
"Wir waren unglaublich überrascht zu sehen, wie anhaltend der Heliumverlust war", erklärt Romain Allart, Postdoktorand an der Universität Montreal, ehemaliger Doktorand an der UNIGE und Hauptautor der Arbeit. "Diese Entdeckung offenbart die Komplexität der physikalischen Prozesse, die die Atmosphären von Exoplaneten formen und ihre Wechselwirkung mit ihrer stellaren Umgebung. Wir beginnen gerade erst, die wahre Komplexität dieser Welten zu entdecken."
Die nächsten Schritte für WASP-121b und darüber hinaus
Helium ist zu einem der stärksten Indikatoren für Atmosphärenverlust geworden, und die einzigartige Empfindlichkeit des JWST ermöglicht es nun, es über Entfernungen und Zeitspannen zu detektieren, die bisher unerreichbar waren. Zukünftige Beobachtungen mit dem JWST werden unerlässlich sein, um festzustellen, ob die um WASP-121b beobachtete Doppelschweifstruktur einzigartig oder bei heißen Exoplaneten verbreitet ist. Die Wissenschaftler müssen auch ihre Theorien verfeinern, um diese Struktur besser zu verstehen.
"Sehr oft zeigen neue Beobachtungen die Grenzen unserer numerischen Modelle auf und treiben uns dazu, neue physikalische Mechanismen zu erforschen, um unser Verständnis dieser fernen Welten immer weiter voranzutreiben", schließt Vincent Bourrier, Lehr- und Forschungsbeauftragter am Departement für Astronomie der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Mitautor der Studie.
Quelle: Universität Genf