In den letzten 30 Jahren wurden mehr als 5.000 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Ein häufiger Exoplanet ist die Lavawelt, eine heiße Supererde mit Ozeanen aus flüssiger Lava. Mantas Zilinskas entwickelte Modelle, um mögliche Atmosphären dieser Welten zu simulieren. Diese Simulationen bieten Astronomen Orientierung, die mit dem James Webb-Weltraumteleskop nach diesen Atmosphären suchen. Zilinskas wird seinen Ph.D. erhalten. am Mittwoch, 24. Mai.
Die meisten der beobachteten Exoplaneten ähneln nicht den acht Pflanzen in unserem Sonnensystem. Zum Beispiel gibt es heiße Jupiter, Gasriesen, die näher an ihrem Mutterstern sind als Merkur an der Sonne, und rostrale Lavawelten, die größer als die Erde sind und ihren Mutterstern so nah umkreisen, dass Lavaozeane fließen.
„Wir wissen wenig über diese fernen Welten“, sagt Mantas Zilinskas. Einige Merkmale können Astronomen anhand von Masse, Radius und Entfernung vom Mutterstern abschätzen. Aber das ergibt kein vollständiges Bild. Um mehr über ihre Atmosphären herauszufinden, nutzen Astronomen daher die Spektroskopie. Dabei messen sie das Licht des Muttersterns, das durch die Atmosphäre des Exoplaneten scheint und dann zur Erde gelangt. Die in einer Atmosphäre vorhandenen Moleküle und Atome absorbieren einzigartige Lichtfarben. Dadurch entsteht für jeden Exoplaneten ein einzigartiger Fingerabdruck, anhand dessen man erkennen kann, welche Substanzen seine Atmosphäre enthält.
Doch die Eigenschaften aus spektroskopischen Beobachtungen abzuleiten, ist nicht einfach. Aus diesem Grund erstellen theoretische Astrophysiker wie Zilinskas mathematische Modelle, die vorhersagen, wie sich bestimmte Eigenschaften in Beobachtungen niederschlagen. „Ich berechne, was Astronomen beobachten könnten“, erklärt er. „Der Zweck meiner Simulationen besteht darin, den Astronomen zu sagen, wonach sie suchen müssen und was ihnen das über Exoplaneten sagen kann.“
Zilinskas konzentrierte seinen Ph.D. Erforschung der Atmosphären von Lavawelten und deren Beobachtung mit dem Ende 2021 gestarteten James Webb-Weltraumteleskop. „Diese Atmosphären wurden noch nicht entdeckt, aber wir glauben, dass sie existieren. Tatsächlich können silikatreiche Gase aus Lavaozeanen verdampfen und eine dünne Schicht bilden.“ , fragile Atmosphäre“, sagt er. „Wir versuchen, mithilfe von Modellen die chemische Zusammensetzung und wichtige Eigenschaften dieser Atmosphären vorherzusagen, beispielsweise Temperaturänderungen. Und wir untersuchen, wie sich dies auf das Lichtspektrum auswirkt.“
Dazu verwendete Zilinskas sogenannte eindimensionale Modelle, die davon ausgehen, dass die größten chemischen Veränderungen in der Atmosphäre in vertikaler Richtung – von oben nach unten – und nicht in horizontaler Richtung stattfinden. Die Modelle berechnen die chemischen Bedingungen an jedem Punkt. Zilinskas kombinierte dies mit Strahlungstransfermodellen, die berechnen, wie sich Licht vom Mutterstern durch diese Atmosphäre bewegt und wie sich das Spektrum dabei ändert.
„Es gibt auch zwei- und dreidimensionale Modelle, aber diese kosten viel Zeit und Rechenleistung“, sagt Zilinskas. „Außerdem wissen wir wenig über Lavawelten und die schnelleren und flexibleren eindimensionalen Modelle geben uns die Freiheit, viele verschiedene, mögliche atmosphärische Zusammensetzungen zu untersuchen.“
Die Simulationen zeigten, dass das James-Webb-Weltraumteleskop die Atmosphären von Lavawelten beobachten kann, sofern es sie gibt. „Es hat auch gezeigt, was für ein großer Fortschritt dieses Weltraumteleskop ist“, sagt Zilinskas.
Derzeit beobachtet das Weltraumteleskop noch Exoplaneten, darunter auch Lavawelten. Zilinskas sagt: „Ich hoffe, dass meine Doktorarbeit als Leitfaden für zukünftige Beobachtungen der Atmosphären von Lavawelten dienen kann.“