Gasriesen, die unsere Sonne umkreisen, zeigen ein klares Muster; Je massereicher der Planet, desto geringer ist der Anteil an „schweren“ Elementen (alles andere als Wasserstoff und Helium) in der Atmosphäre des Planeten. Aber draußen in der Galaxie passen die atmosphärischen Zusammensetzungen von Riesenplaneten nicht zum Trend des Sonnensystems, hat ein internationales Team von Astronomen herausgefunden.
Unter Verwendung des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA entdeckten die Forscher, dass die Atmosphäre des Exoplaneten HD149026b, eines „heißen Jupiters“, der einen mit unserer Sonne vergleichbaren Stern umkreist, überaus reich an den schwereren Elementen Kohlenstoff und Sauerstoff ist – weit über dem, was Wissenschaftler vermuten würden erwarten für einen Planeten seiner Masse. Darüber hinaus ist das diagnostische Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis von HD149026b, auch bekannt als „Smertrios“, im Vergleich zu unserem Sonnensystem erhöht.
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in „Hohe atmosphärische Metallanreicherung für einen Saturn-Massen-Planeten“ in Natur am 27. März, sind ein wichtiger erster Schritt, um ähnliche Messungen für eine große Stichprobe von Exoplaneten zu erhalten, um nach statistischen Trends zu suchen, sagten die Forscher. Sie geben auch Einblick in die Planetenentstehung.
„Es scheint, dass jeder Riesenplanet anders ist, und wir beginnen, diese Unterschiede dank JWST zu erkennen“, sagte Jonathan Lunine, David C. Duncan-Professor für Physikalische Wissenschaften am College of Arts and Sciences und Mitautor des Studiums. „In diesem Artikel haben wir bestimmt, wie viele Moleküle es im Verhältnis zum Hauptbestandteil des Gases, dem Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum, gibt. Das sagt uns ziemlich viel darüber aus, wie dieser Planet entstanden ist.“
Die Riesenplaneten unseres Sonnensystems weisen eine nahezu perfekte Korrelation zwischen der Gesamtzusammensetzung und der atmosphärischen Zusammensetzung und Masse auf, sagte Jacob Bean, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of Chicago und Hauptautor der Studie. Extrasolare Planeten weisen eine viel größere Vielfalt an Gesamtzusammensetzungen auf, aber die Wissenschaftler wussten bis zu dieser Analyse von HD149026b nicht, wie unterschiedlich ihre atmosphärischen Zusammensetzungen waren.
„Wir haben definitiv gezeigt, dass die atmosphärischen Zusammensetzungen von riesigen extrasolaren Planeten nicht demselben Trend folgen, der bei den Planeten des Sonnensystems so deutlich ist“, sagte Bean. „Riesige extrasolare Planeten zeigen zusätzlich zu ihrer großen Vielfalt an Gesamtzusammensetzungen eine große Vielfalt an atmosphärischen Zusammensetzungen.“
Smertrios zum Beispiel ist im Vergleich zu seiner Masse super angereichert, sagte Lunine. „Es ist die Masse des Saturn, aber seine Atmosphäre scheint 27-mal so viel schwere Elemente zu enthalten wie Wasserstoff und Helium, die wir im Saturn finden.“
Dieses Verhältnis, das als „Metallizität“ bezeichnet wird (obwohl es viele Elemente enthält, die keine Metalle sind), ist nützlich, um einen Planeten mit seinem Heimatstern oder mit anderen Planeten in seinem System zu vergleichen, sagte Lunine. Smertrios ist der einzige bekannte Planet in diesem speziellen Planetensystem.
Eine weitere Schlüsselmessung ist das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff in der Atmosphäre eines Planeten, das das „Rezept“ der ursprünglichen Feststoffe in einem Planetensystem offenbart, sagte Lunine. Für Smertrios ist es etwa 0,84 – höher als in unserem Sonnensystem. In unserer Sonne kommt auf zwei Sauerstoffatome etwas mehr als ein Kohlenstoff (0,55).
„Zusammen zeichnen diese Beobachtungen ein Bild einer planetenbildenden Scheibe mit reichlich kohlenstoffreichen Feststoffen“, sagte Lunine. „HD149026b hat bei seiner Entstehung große Mengen dieses Materials aufgenommen.“
Während ein Überfluss an Kohlenstoff günstig für die Lebenschancen erscheinen mag, bedeutet ein hohes Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff tatsächlich weniger Wasser auf einem Planeten oder in einem Planetensystem – ein Problem für das Leben, wie wir es kennen.
Smertrios ist ein interessanter erster Fall atmosphärischer Zusammensetzung für diese spezielle Studie, sagte Lunine, die Pläne hat, im kommenden Jahr fünf weitere riesige Exoplaneten mit JWST zu beobachten. Viele weitere Beobachtungen sind erforderlich, bevor Astronomen irgendwelche Muster zwischen Riesenplaneten oder in Systemen mit mehreren Riesenplaneten oder terrestrischen Planeten bis zu der Zusammensetzungsvielfalt entdecken können, die Astronomen zu dokumentieren beginnen.
„Der Ursprung dieser Vielfalt ist ein grundlegendes Rätsel in unserem Verständnis der Planetenentstehung“, sagte Bean. „Unsere Hoffnung ist, dass weitere atmosphärische Beobachtungen von extrasolaren Planeten mit JWST diese Vielfalt besser quantifizieren und Einschränkungen für komplexere Trends ergeben, die möglicherweise existieren.“
Mehr Informationen:
Jacob L. Bean et al., Hohe atmosphärische Metallanreicherung für einen Planeten mit Saturnmasse, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05984-y