Die dunkle Seite eines „heißen Jupiters“ wird erstmals im Detail enthüllt

MIT-Astronomen haben die bisher klarste Sicht auf die ewige dunkle Seite eines Exoplaneten erhalten, der „gezeitengebunden“ an seinen Stern gebunden ist. Ihre Beobachtungen, kombiniert mit Messungen der permanenten Tagseite des Planeten, liefern die erste detaillierte Ansicht der globalen Atmosphäre eines Exoplaneten.

„Wir gehen jetzt über die Aufnahme isolierter Schnappschüsse bestimmter Regionen von Exoplanetenatmosphären hinaus und untersuchen sie als die 3D-Systeme, die sie wirklich sind“, sagt Thomas Mikal-Evans, der die Studie als Postdoc am Kavli Institute for Astrophysics and Space des MIT leitete Forschung.

Der Planet im Mittelpunkt der neuen Studie, die in erscheint Naturastronomie, ist WASP-121b, ein massiver Gasriese, der fast doppelt so groß ist wie Jupiter. Der Planet ist ein ultraheißer Jupiter und wurde 2015 entdeckt, als er einen etwa 850 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern umkreiste. WASP-121b hat eine der kürzesten bisher entdeckten Umlaufbahnen und umkreist seinen Stern in nur 30 Stunden. Es ist auch gezeitengesperrt, so dass seine dem Stern zugewandte „Tag“-Seite permanent röstet, während seine „Nacht“-Seite für immer dem Weltraum zugewandt ist.

„Heiße Jupiter sind berühmt dafür, sehr helle Tagseiten zu haben, aber die Nachtseite ist ein anderes Biest. Die Nachtseite von WASP-121b ist etwa zehnmal schwächer als seine Tagseite“, sagt Tansu Daylan, eine TESS-Postdoc am MIT, die Co-Autorin ist die Studium.

Astronomen hatten zuvor Wasserdampf entdeckt und untersucht, wie sich die atmosphärische Temperatur mit der Höhe auf der Tagseite des Planeten ändert.

Die neue Studie zeichnet ein viel detaillierteres Bild. Die Forscher konnten die dramatischen Temperaturänderungen von der Tag- zur Nachtseite kartieren und sehen, wie sich diese Temperaturen mit der Höhe ändern. Sie verfolgten auch das Vorhandensein von Wasser in der Atmosphäre, um erstmals zu zeigen, wie Wasser zwischen der Tag- und der Nachtseite eines Planeten zirkuliert.

Während auf der Erde der Wasserkreislauf zunächst verdunstet, dann zu Wolken kondensiert und dann ausregnet, ist der Wasserkreislauf auf WASP-121b weitaus intensiver: Auf der Tagseite werden die Atome, aus denen Wasser besteht, bei Temperaturen über 3.000 auseinandergerissen Kelvin. Diese Atome werden auf die Nachtseite geblasen, wo kältere Temperaturen es Wasserstoff- und Sauerstoffatomen ermöglichen, sich zu Wassermolekülen zu rekombinieren, die dann auf die Tagseite zurückgeblasen werden, wo der Kreislauf von vorne beginnt.

Das Team berechnet, dass der Wasserkreislauf des Planeten von Winden aufrechterhalten wird, die die Atome mit Geschwindigkeiten von bis zu 5 Kilometern pro Sekunde oder mehr als 11.000 Meilen pro Stunde um den Planeten peitschen.

Es scheint auch, dass nicht nur Wasser um den Planeten zirkuliert. Die Astronomen fanden heraus, dass die Nachtseite kalt genug ist, um exotische Wolken aus Eisen und Korund zu beherbergen – ein Mineral, aus dem Rubine und Saphire bestehen. Diese Wolken können wie Wasserdampf auf die Tagseite peitschen, wo hohe Temperaturen die Metalle in Gasform verdampfen. Unterwegs können exotische Regenfälle entstehen, wie flüssige Edelsteine ​​aus den Korundwolken.

„Mit dieser Beobachtung bekommen wir wirklich einen globalen Überblick über die Meteorologie eines Exoplaneten“, sagt Mikal-Evans.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Mitarbeiter des MIT, der Johns Hopkins University, des Caltech und anderer Institutionen.

Tag-und Nacht

Das Team beobachtete WASP-121b mit einer spektroskopischen Kamera an Bord des Hubble-Weltraumteleskops der NASA. Das Instrument beobachtet das Licht eines Planeten und seines Sterns und zerlegt dieses Licht in seine einzelnen Wellenlängen, deren Intensität den Astronomen Hinweise auf die Temperatur und Zusammensetzung einer Atmosphäre gibt.

Durch spektroskopische Studien haben Wissenschaftler atmosphärische Details auf den Tagseiten vieler Exoplaneten beobachtet. Aber dasselbe für die Nachtseite zu tun, ist viel schwieriger, da es erfordert, auf winzige Veränderungen im gesamten Spektrum des Planeten zu achten, während er seinen Stern umkreist.

Für die neue Studie beobachtete das Team WASP-121b während zweier vollständiger Umlaufbahnen – eine im Jahr 2018 und die andere im Jahr 2019. Für beide Beobachtungen durchsuchten die Forscher die Lichtdaten nach einer bestimmten Linie oder einem spektralen Merkmal, das auf das Vorhandensein hinweist von Wasserdampf.

„Wir haben dieses Wasserspiel gesehen und kartiert, wie es sich in verschiedenen Teilen der Umlaufbahn des Planeten verändert hat“, sagt Mikal-Evans. „Das kodiert Informationen darüber, was die Temperatur der Atmosphäre des Planeten als Funktion der Höhe tut.“

Das wechselnde Wasserspiel half dem Team, das Temperaturprofil sowohl der Tag- als auch der Nachtseite abzubilden. Sie fanden heraus, dass die Tagesseite von 2.500 Kelvin in der tiefsten beobachtbaren Schicht bis zu 3.500 Kelvin in den obersten Schichten reicht. Die Nachtseite reichte von 1.800 Kelvin in ihrer tiefsten Schicht bis zu 1.500 Kelvin in ihrer oberen Atmosphäre. Interessanterweise schienen die Temperaturprofile umzukehren, stiegen mit der Höhe auf der Tagseite – meteorologisch eine „thermische Inversion“ – und fielen mit der Höhe auf der Nachtseite.

Die Forscher führten dann die Temperaturkarten durch verschiedene Modelle, um Chemikalien zu identifizieren, die wahrscheinlich in der Atmosphäre des Planeten existieren, wenn bestimmte Höhen und Temperaturen gegeben sind. Diese Modellierung zeigte das Potenzial für Metallwolken wie Eisen, Korund und Titan auf der Nachtseite.

Anhand ihrer Temperaturkartierung beobachtete das Team auch, dass die heißeste Region des Planeten in den Osten der „substellaren“ Region direkt unter dem Stern verschoben ist. Sie folgerten, dass diese Verschiebung auf extreme Winde zurückzuführen ist.

„Das Gas wird am substellaren Punkt erhitzt, aber nach Osten geblasen, bevor es in den Weltraum zurückstrahlen kann“, erklärt Mikal-Evans.

Aus der Größe der Verschiebung schätzt das Team, dass die Windgeschwindigkeiten bei etwa 5 Kilometern pro Sekunde liegen.

„Diese Winde sind viel schneller als unser Jetstream und können wahrscheinlich Wolken in etwa 20 Stunden über den gesamten Planeten bewegen“, sagt Daylan, der frühere Arbeiten auf dem Planeten mit der MIT-geführten NASA-Mission TESS leitete.

Die Astronomen haben am James-Webb-Weltraumteleskop Zeit reserviert, um später in diesem Jahr WASP-121b zu beobachten, und hoffen, Veränderungen nicht nur im Wasserdampf, sondern auch im Kohlenmonoxid zu kartieren, von dem Wissenschaftler vermuten, dass es in der Atmosphäre vorhanden ist.

„Das wäre das erste Mal, dass wir ein kohlenstoffhaltiges Molekül in der Atmosphäre dieses Planeten messen könnten“, sagt Mikal-Evans. „Die Menge an Kohlenstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre gibt Hinweise darauf, wo sich diese Art von Planeten bildet.“