Das Webb-Weltraumteleskop misst die Temperatur eines felsigen Exoplaneten

Ein internationales Forscherteam hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA die Temperatur des felsigen Exoplaneten TRAPPIST-1 b gemessen. Die Messung basiert auf der thermischen Emission des Planeten: Wärmeenergie, die in Form von Infrarotlicht abgegeben wird, das von Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) erfasst wird.

Das Ergebnis weist darauf hin, dass die Tagseite des Planeten eine Temperatur von etwa 500 Kelvin (ungefähr 230 °C) hat, und deutet darauf hin, dass es keine nennenswerte Atmosphäre gibt. Dies ist die erste Entdeckung jeglicher Art von Licht, das von einem Exoplaneten emittiert wird, der so klein und so kühl ist wie die Gesteinsplaneten in unserem eigenen Sonnensystem. Das Ergebnis markiert einen wichtigen Schritt bei der Bestimmung, ob Planeten, die kleine aktive Sterne wie TRAPPIST-1 umkreisen, Atmosphären aufrechterhalten können, die zur Unterstützung des Lebens erforderlich sind. Es verheißt auch Gutes für Webbs Fähigkeit, gemäßigte, erdgroße Exoplaneten mit MIRI zu charakterisieren.

„Diese Beobachtungen nutzen Webbs Mittelinfrarot-Fähigkeit wirklich aus“, sagte Thomas Greene, Astrophysiker am Ames Research Center der NASA und Hauptautor der heute in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Natur. „Kein früheres Teleskop hatte die Empfindlichkeit, solch schwaches Licht im mittleren Infrarotbereich zu messen.“

Gesteinsplaneten, die ultracoole Rote Zwerge umkreisen

Anfang 2017 berichteten Astronomen über die Entdeckung von sieben Gesteinsplaneten, die einen ultrakühlen roten Zwergstern (oder M-Zwerg) 40 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen. Bemerkenswert an den Planeten ist ihre Ähnlichkeit in Größe und Masse mit den inneren Gesteinsplaneten unseres eigenen Sonnensystems. Obwohl sie alle viel näher um ihren Stern kreisen als jeder unserer Planeten die Sonne – alle könnten bequem in die Umlaufbahn des Merkur passen – erhalten sie vergleichbare Energiemengen von ihrem winzigen Stern.

TRAPPIST-1 b, der innerste Planet, hat eine Umlaufbahn von etwa einem Hundertstel der Erde und erhält etwa die vierfache Energiemenge, die die Erde von der Sonne erhält. Obwohl er nicht in der habitablen Zone des Systems liegt, können Beobachtungen des Planeten wichtige Informationen über seine Geschwisterplaneten sowie über die anderer M-Zwerg-Systeme liefern.

„Es gibt zehnmal so viele dieser Sterne in der Milchstraße wie Sterne wie die Sonne, und es ist doppelt so wahrscheinlich, dass sie Gesteinsplaneten haben als Sterne wie die Sonne“, erklärte Greene. „Aber sie sind auch sehr aktiv – sie sind sehr hell, wenn sie jung sind, und sie geben Fackeln und Röntgenstrahlen ab, die eine Atmosphäre auslöschen können.“

Co-Autorin Elsa Ducrot vom CEA in Frankreich, die zu dem Team gehörte, das die ersten Studien des TRAPPIST-1-Systems durchführte, fügte hinzu: „Es ist einfacher, terrestrische Planeten um kleinere, kühlere Sterne herum zu charakterisieren. Wenn wir die Bewohnbarkeit um M Sterne, das TRAPPIST-1-System ist ein großartiges Labor. Dies sind die besten Ziele, die wir haben, um die Atmosphären von Gesteinsplaneten zu untersuchen.“

Eine Atmosphäre erkennen (oder nicht)

Frühere Beobachtungen von TRAPPIST-1 b mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble sowie dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA fanden keine Hinweise auf eine aufgeblähte Atmosphäre, konnten aber eine dichte Atmosphäre nicht ausschließen.

Eine Möglichkeit, die Unsicherheit zu verringern, besteht darin, die Temperatur des Planeten zu messen. „Dieser Planet ist gezeitenabhängig, wobei eine Seite immer dem Stern zugewandt ist und die andere in permanenter Dunkelheit“, sagte Pierre-Olivier Lagage vom CEA, ein Co-Autor des Papiers. „Wenn es eine Atmosphäre gibt, um die Wärme zu zirkulieren und neu zu verteilen, wird die Tagesseite kühler sein, als wenn es keine Atmosphäre gibt.“

Das Team verwendete eine Technik namens sekundäre Sonnenfinsternis-Photometrie, bei der MIRI die Helligkeitsänderung des Systems maß, während sich der Planet hinter den Stern bewegte. Obwohl TRAPPIST-1 b nicht heiß genug ist, um sein eigenes sichtbares Licht abzugeben, leuchtet es infrarot. Indem sie die Helligkeit des Sterns allein (während der sekundären Sonnenfinsternis) von der Helligkeit des Sterns und des Planeten zusammen subtrahierten, konnten sie erfolgreich berechnen, wie viel Infrarotlicht der Planet abgibt.

Messung kleinster Helligkeitsänderungen

Webbs Entdeckung einer sekundären Sonnenfinsternis ist selbst ein wichtiger Meilenstein. Da der Stern mehr als 1.000 Mal heller ist als der Planet, beträgt die Helligkeitsänderung weniger als 0,1 %.

„Es gab auch einige Befürchtungen, dass wir die Sonnenfinsternis verpassen würden. Die Planeten ziehen alle aneinander, daher sind die Umlaufbahnen nicht perfekt“, sagte Taylor Bell, Postdoktorand am Bay Area Environmental Research Institute, der die Daten analysierte . „Aber es war einfach erstaunlich: Der Zeitpunkt der Sonnenfinsternis, den wir in den Daten sahen, stimmte innerhalb weniger Minuten mit dem vorhergesagten Zeitpunkt überein.“

Die Analyse der Daten von fünf separaten sekundären Sonnenfinsternis-Beobachtungen zeigt, dass TRAPPIST-1 b eine Tagestemperatur von etwa 500 Kelvin oder ungefähr 230 °C hat. Das Team glaubt, dass die wahrscheinlichste Interpretation ist, dass der Planet keine Atmosphäre hat.

„Wir haben die Ergebnisse mit Computermodellen verglichen, die zeigen, wie die Temperatur in verschiedenen Szenarien sein sollte“, erklärte Ducrot. „Die Ergebnisse stimmen fast perfekt mit einem schwarzen Körper aus nacktem Gestein und ohne Atmosphäre überein, um die Wärme zu zirkulieren. Wir haben auch keine Anzeichen dafür gesehen, dass Licht von Kohlendioxid absorbiert wird, was in diesen Messungen offensichtlich wäre.“

Diese Forschung wurde im Rahmen des Guaranteed Time Observation (GTO)-Programms 1177 durchgeführt, das eines von acht genehmigten GTO- und General Observer (GO)-Programmen ist, die zur vollständigen Charakterisierung des TRAPPIST-1-Systems beitragen sollen. Weitere sekundäre Sonnenfinsternis-Beobachtungen von TRAPPIST-1 b sind derzeit im Gange, und jetzt, da sie wissen, wie gut die Daten sein können, hofft das Team, schließlich eine vollständige Phasenkurve zu erfassen, die die Helligkeitsänderung über die gesamte Umlaufbahn zeigt. Auf diese Weise können sie sehen, wie sich die Temperatur von der Tag- zur Nachtseite ändert, und bestätigen, ob der Planet eine Atmosphäre hat oder nicht.

„Es gab ein Ziel, von dem ich geträumt habe“, sagte Lagage, der mehr als zwei Jahrzehnte an der Entwicklung des MIRI-Instruments arbeitete. „Und es war dieser. Dies ist das erste Mal, dass wir die Emission eines felsigen, gemäßigten Planeten nachweisen können. Es ist ein wirklich wichtiger Schritt in der Geschichte der Entdeckung von Exoplaneten.“