Simulationen zeigen, dass Exoplaneten, die in tieferen Tiefen von ihren Muttersternen erhitzt werden, deutlich unterschiedliche Wettermuster aufweisen

Viele Jahre lang gingen die meisten astrophysikalischen Modelle davon aus, dass Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten, in ähnlichen Tiefen von ihren Wirtssternen (also Sternen wie der Sonne, um die sich Planetensysteme bilden) erhitzt werden. Analysen aktueller Beobachtungen mehrerer Kollaborationen mit verschiedenen Teleskopen legen jedoch nahe, dass einige Exoplaneten Wärme viel tiefer in ihre Atmosphäre absorbieren könnten als ursprünglich angenommen. Solche Exoplaneten könnten ein Wettermuster aufweisen, das ganz anders ist, als es aufgrund früherer Modellierungen erwartet wurde.

Forscher des California Institute of Technology, des Flatiron Institute und der Brandeis University führten kürzlich eine Reihe von Simulationen durch, die diese Hypothese bestätigten. Ihre Papierveröffentlicht in der Briefe zur körperlichen Untersuchunglegt nahe, dass die Atmosphäre heißer Exoplaneten, die von ihren Wirtssternen in tieferen Tiefen erhitzt wird, zu unterschiedlichen anhaltenden Wettermustern führt.

„Wir wurden durch eine aktuelle Analyse der JWST-Daten für den Planeten WASP-96b motiviert, uns mit diesem Problem zu befassen. Sie zeigte, dass die Wärme seines Muttersterns viel tiefer in der Atmosphäre absorbiert werden könnte, als wir bisher angenommen hatten“, sagt Jack W. Skinner , Joonas Nättilä und James YK. Cho, der Autor des Papiers, sagte gegenüber Phys.org. „Dies veranlasste uns, uns frühere Analysen ähnlicher Planeten anzusehen und stellte fest, dass es auch andere Planeten gibt, die auf diese Weise erhitzt werden.“

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Skinner, Nättilä und Cho bestand darin, besser zu verstehen, wie sich die Tiefe der Atmosphäre, in der Planeten erhitzt werden, auf ihre langfristigen Wettermuster auswirkt. Dies würde eine genauere Bestimmung ermöglichen, wie ein Planet aussehen würde, wenn er mit aktuellen und zukünftigen Weltraumteleskopen beobachtet würde. Es würde auch unser Verständnis des Klimas und letztendlich der Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern.

„Der genaue Ort und die Verteilung der Erwärmung auf Exoplaneten sind derzeit nicht genau bekannt, aber frühere Studien gingen im Allgemeinen von einem Ort und einer Verteilung aus“, erklärten Skinner, Nättilä und Cho. „Tatsächlich ist ein vollständigeres Bild der Atmosphäre des Planeten erforderlich, um die Beobachtungen genau interpretieren zu können.“

Im Rahmen ihrer Studie führten die Forscher Hunderte hochmoderne Supercomputersimulationen durch. Ihre Simulationen lösen eine Reihe komplexer, nichtlinearer Gleichungen, die beschreiben, wie sich kompressible Flüssigkeiten auf einer rotierenden Kugel entwickeln. Dieselben Gleichungen werden verwendet, um das Wetter und das Klima auf der Erde und anderen Planeten im Sonnensystem vorherzusagen.

„Wir haben diese Simulationen mit den gleichen Parametern wie zwei verschiedene heiße Jupiter mit unterschiedlichen Erwärmungsarten durchgeführt“, sagte Skinner.

„Die Erwärmung basiert auf Funden des James Webb- und des Hubble-Weltraumteleskops (letzteres ist nicht mehr in Betrieb) des heißen Jupiter-Exoplaneten WASP-96b. Der Hauptunterschied zu früheren Simulationsarbeiten besteht darin, dass unsere Arbeit einen sehr effizienten Algorithmus verwendet.“ Dadurch können unsere Simulationen mit extrem hoher Auflösung (effektiv etwa 50-mal höherer Auflösung als normalerweise für diese Planeten) auf leistungsstarken Supercomputern durchgeführt werden.

Der von Skinner, Nättilä und Cho verwendete Algorithmus verbessert ihre Simulationen erheblich und ermöglicht es ihnen, kleinräumige Strömungsstrukturen wie Wirbel, Fronten und Wellen zu erfassen. Zusammengenommen liefern diese Strömungsstrukturen wichtige Informationen über die Wettermuster, die auf Exoplaneten beobachtet werden könnten, und zwar mit beispielloser Detailgenauigkeit und Genauigkeit.

„Da die Erwärmung und die dadurch erzeugten kleinen Strukturen die Strömung antreiben, bestimmt die Art der Erwärmung das Verhalten der Strömungen auf diesen Planeten“, sagte Nättilä. „Unsere Simulationen zeigen, dass die Atmosphären heißer Jupiter sehr dynamisch und turbulent sind und starke Stürme von großer bis kleiner Größe und Intensität auftreten. Art und Verhalten dieser Stürme hängen davon ab, wie die Erwärmung und Abkühlung auf den Planeten umverteilt wird.“

Die jüngste Arbeit dieses Forschungsteams liefert interessante Einblicke in die Wetterbedingungen, die auf Planeten außerhalb des Sonnensystems herrschen könnten, und wie diese Bedingungen durch die Tiefe beeinflusst werden könnten, in der die Wärme von Wirtssternen absorbiert wird.

Die im Rahmen dieser Studie durchgeführten Simulationen gehören zu den detailliertesten und genauesten, die bisher durchgeführt wurden, und könnten die Entwicklung neuer Modelle zur Beschreibung der Atmosphäre heißer Exoplaneten beeinflussen.

„Die Modellierung und das Verständnis der Strömungen auf Exoplaneten sind von entscheidender Bedeutung, da diese Strömungen heiße (und kalte) Luftflecken (einschließlich Chemikalien und Wolken) um den Planeten bewegen“, erklärte Cho. „Dadurch entstehen helle und dunkle Flecken, die sich um den Planeten bewegen und möglicherweise von aktuellen und zukünftigen Weltraumteleskopmissionen wie JWST und Ariel beobachtet werden können.“

Skinner, Nättilä und Cho sind von den bisherigen Ergebnissen begeistert, da sie letztendlich zeigen, dass die Atmosphären von Exoplaneten hochdynamisch und variabel sind, ähnlich wie auf der Erde. Darüber hinaus zeigen ihre Arbeiten, dass Exoplaneten zwar sehr ähnliche physikalische Parameter haben und sich in Planetensystemen mit ähnlichen Muttersternen befinden können, subtile Unterschiede zwischen ihnen jedoch tiefgreifende Auswirkungen auf ihr Klima, ihr Wetter und andere beobachtbare Eigenschaften haben könnten.

„Unsere Arbeit hat viele weitere spannende Fragen zu Exoplaneten aufgeworfen und zeigt, dass genaue Modelle jetzt von entscheidender Bedeutung sind, um aktuelle Beobachtungen genau zu interpretieren und zukünftige Beobachtungen optimal zu planen“, fügten Skinner, Nättilä und Cho hinzu.

„Mit der JWST der NASA und den bevorstehenden ARIEL-Missionen der ESA zeigt unsere Arbeit, dass wir nun in der Lage sind, grundlegende physikalische Theorien und ausgefeilte Computermodelle realistisch einzuschränken und zu testen und einer zuverlässigen Bestimmung der Exoplaneten, die Leben beherbergen könnten, näher zu kommen.“

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