Astronomen erhaschen einen Blick auf einen einzigartig aufgeblähten und asymmetrischen Exoplaneten

Eine internationale Forschergruppe, darunter Astronomen der University of Arizona, hat mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA die Atmosphäre eines heißen und einzigartig aufgeblähten Exoplaneten beobachtet. Der Exoplanet, der so groß wie Jupiter, aber nur ein Zehntel seiner Masse ist, weist eine Ost-West-Asymmetrie in seiner Atmosphäre auf, was bedeutet, dass zwischen den beiden Rändern seiner Atmosphäre ein erheblicher Unterschied besteht.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Naturastronomie.

„Dies ist das erste Mal, dass die Ost-West-Asymmetrie eines Exoplaneten beim Vorbeiflug an seinem Stern aus dem Weltraum beobachtet wurde“, sagte der leitende Studienautor Matthew Murphy, ein Doktorand am Steward Observatory der Universität von Arkansas. Ein Transit findet statt, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht – so wie der Mond während einer Sonnenfinsternis.

„Ich denke, dass Beobachtungen aus dem Weltraum im Vergleich zu Beobachtungen vom Boden aus viele Vorteile haben“, sagte Murphy.

Die Ost-West-Asymmetrie eines Exoplaneten bezieht sich auf Unterschiede in atmosphärischen Eigenschaften wie Temperatur oder Wolkeneigenschaften, die zwischen der östlichen und westlichen Hemisphäre des Planeten beobachtet werden. Die Feststellung, ob diese Asymmetrie besteht oder nicht, ist entscheidend für das Verständnis des Klimas, der atmosphärischen Dynamik und der Wettermuster von Exoplaneten – Planeten, die außerhalb unseres Sonnensystems existieren.

Der Exoplanet WASP-107b ist gezeitengebunden an seinen Stern. Das bedeutet, dass der Exoplanet dem Stern, den er umkreist, immer dieselbe Seite zuwendet. Eine Hemisphäre des gezeitengebundenen Exoplaneten ist ständig dem Stern zugewandt, den er umkreist, während die andere Hemisphäre immer von ihm abgewandt ist, was zu einer permanenten Tagseite und einer permanenten Nachtseite des Exoplaneten führt.

Murphy und sein Team verwendeten die Transmissionsspektroskopietechnik mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Dies ist das wichtigste Werkzeug, mit dem Astronomen Erkenntnisse darüber gewinnen, woraus die Atmosphären anderer Planeten bestehen, sagte Murphy. Das Teleskop machte eine Reihe von Schnappschüssen, als der Planet vor seinem Mutterstern vorbeizog, und verschlüsselte so Informationen über die Atmosphäre des Planeten.

Durch den Einsatz neuer Techniken und der beispiellosen Präzision des James-Webb-Weltraumteleskops gelang es den Forschern, die Signale von der Ost- und Westseite der Atmosphäre zu trennen und einen gezielteren Blick auf bestimmte Prozesse in der Atmosphäre des Exoplaneten zu erhalten.

„Diese Schnappschüsse sagen uns viel über die Gase in der Atmosphäre des Exoplaneten, die Wolken, die Struktur der Atmosphäre, die Chemie und wie sich alles verändert, wenn er unterschiedliche Mengen Sonnenlicht erhält“, sagte Murphy.

Die Besonderheit des Exoplaneten WASP-107b liegt in seiner sehr geringen Dichte und relativ geringen Schwerkraft. Aus diesem Grund ist seine Atmosphäre aufgeblähter als die anderer Exoplaneten seiner Masse.

„So etwas gibt es in unserem Sonnensystem nicht. Es ist einzigartig, sogar unter der Exoplanetenpopulation“, sagte Murphy.

Die Temperatur von WASP-107b liegt bei etwa 427 °C (890 °F) – eine Temperatur, die zwischen den Planeten unseres Sonnensystems und den heißesten bekannten Exoplaneten liegt.

„Traditionell funktionieren unsere Beobachtungstechniken bei diesen Zwischenplaneten nicht so gut, daher gibt es viele spannende offene Fragen, die wir nun endlich beantworten können“, sagte Murphy. „Einige unserer Modelle haben uns beispielsweise gesagt, dass ein Planet wie WASP-107b diese Asymmetrie überhaupt nicht aufweisen sollte – wir lernen also schon etwas Neues.“

Forscher untersuchen Exoplaneten seit fast zwei Jahrzehnten, und zahlreiche Beobachtungen sowohl vom Boden als auch aus dem Weltraum haben den Astronomen dabei geholfen, zu erraten, wie die Atmosphäre von Exoplaneten aussehen könnte, sagte Thomas Beatty, Co-Autor der Studie und Assistenzprofessor für Astronomie an der University of Wisconsin–Madison.

„Aber dies ist wirklich das erste Mal, dass wir diese Art von Asymmetrien direkt in Form der Transmissionsspektroskopie aus dem Weltraum gesehen haben. Dies ist die wichtigste Methode, mit der wir verstehen, woraus die Atmosphären von Exoplaneten bestehen. Es ist wirklich erstaunlich“, sagte Beatty.

Murphy und sein Team haben die von ihnen gesammelten Beobachtungsdaten ausgewertet und planen, die Vorgänge auf dem Exoplaneten viel detaillierter zu untersuchen und dabei auch zusätzliche Beobachtungen durchzuführen, um die Ursache dieser Asymmetrie zu verstehen.

„Bei fast allen Exoplaneten können wir sie nicht einmal direkt betrachten, geschweige denn wissen, was auf der einen Seite im Vergleich zur anderen vor sich geht“, sagte Murphy. „Zum ersten Mal sind wir in der Lage, einen viel lokalisierteren Blick auf das zu werfen, was in der Atmosphäre eines Exoplaneten vor sich geht.“