Hat der Exoplanet TRAPPIST-1 b überhaupt eine Atmosphäre?

TRAPPIST-1 b ist einer von sieben Gesteinsplaneten, die den 40 Lichtjahre entfernten Stern TRAPPIST-1 umkreisen. Das Planetensystem ist einzigartig, weil es Astronomen ermöglicht, sieben erdähnliche Planeten aus relativ kurzer Entfernung zu untersuchen, drei davon in der sogenannten bewohnbaren Zone. Dies ist der Bereich in einem Planetensystem, in dem sich auf der Oberfläche eines Planeten flüssiges Wasser befinden könnte. Bisher haben 10 Forschungsprogramme dieses System 290 Stunden lang mit dem James Webb Space Telescope (JWST) ins Visier genommen.

Die aktuelle Studie, an der Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg maßgeblich beteiligt sind, wurde von Elsa Ducrot vom Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) in Paris, Frankreich, geleitet.

Diese Studie verwendet Messungen der thermischen Infrarotstrahlung – im Wesentlichen Wärmestrahlung – des Planeten TRAPPIST-1 b mit MIRI (Mid-Infrared Imager) am JWST und wurde durchgeführt veröffentlicht im Tagebuch Naturastronomie. Darin sind die Ergebnisse aus dem letzten Jahr enthalten, auf denen die bisherigen Schlussfolgerungen basierten, die TRAPPIST-1 b als dunklen Gesteinsplaneten ohne Atmosphäre beschreiben.

Die Kruste von TRAPPIST-1 b könnte geologisch aktiv sein

„Die Vorstellung eines Gesteinsplaneten mit stark verwitterter Oberfläche ohne Atmosphäre steht jedoch im Widerspruch zur aktuellen Messung“, sagt MPIA-Astronom Jeroen Bouwman, der für das Beobachtungsprogramm mitverantwortlich war.

„Deshalb gehen wir davon aus, dass der Planet mit relativ unverändertem Material bedeckt ist.“ Normalerweise wird die Oberfläche durch die Strahlung des Zentralsterns und Einschläge von Meteoriten verwittert. Allerdings deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Gestein an der Oberfläche höchstens etwa 1000 Jahre alt ist, deutlich weniger als der Planet selbst, dessen Alter auf mehrere Milliarden Jahre geschätzt wird.

Dies könnte darauf hindeuten, dass die Erdkruste dramatischen Veränderungen unterliegt, die durch extremen Vulkanismus oder Plattentektonik erklärt werden könnten. Auch wenn ein solches Szenario derzeit noch hypothetisch ist, ist es dennoch plausibel. Der Planet ist groß genug, dass sein Inneres möglicherweise Restwärme aus seiner Entstehung gespeichert hat – wie bei der Erde.

Der Gezeiteneffekt des Zentralsterns und der anderen Planeten kann TRAPPIST-1 b auch verformen, sodass die resultierende innere Reibung Wärme erzeugt – ähnlich wie wir es beim Jupitermond Io sehen. Darüber hinaus wäre eine induktive Erwärmung durch das Magnetfeld des nahegelegenen Sterns denkbar.

Könnte TRAPPIST-1 b möglicherweise doch eine Atmosphäre haben?

„Die Daten lassen auch eine ganz andere Lösung zu“, sagt Thomas Henning, emeritierter Direktor des MPIA. Er war einer der Hauptarchitekten des MIRI-Instruments.

„Entgegen früheren Vorstellungen gibt es Bedingungen, unter denen der Planet eine dichte Atmosphäre haben könnte, die reich an Kohlendioxid (CO2) ist“, fügt er hinzu. Eine Schlüsselrolle in diesem Szenario spielt der Dunst aus Kohlenwasserstoffverbindungen, also Smog, in der oberen Atmosphäre.

Die beiden Beobachtungsprogramme, die sich in der aktuellen Studie ergänzen, sollten die Helligkeit von TRAPPIST-1 b bei verschiedenen Wellenlängen im thermischen Infrarotbereich (12,8 und 15 Mikrometer) messen. Die erste Beobachtung beruhte auf der Absorption der Infrarotstrahlung des Planeten durch eine CO2-Schicht.

Es wurde jedoch keine Verdunkelung gemessen, was die Forscher zu dem Schluss führte, dass der Planet keine Atmosphäre hat.

Das Forschungsteam führte Modellrechnungen durch, die zeigen, dass Dunst die Temperaturschichtung einer CO2-reichen Atmosphäre umkehren kann. Typischerweise sind die unteren, bodennahen Schichten aufgrund des höheren Drucks wärmer als die oberen. Da der Dunst das Sternenlicht absorbiert und sich erwärmt, würde er stattdessen die oberen Atmosphärenschichten erwärmen, was durch einen Treibhauseffekt unterstützt wird.

Dadurch emittiert das dortige Kohlendioxid selbst Infrarotstrahlung.

Etwas Ähnliches beobachten wir auf dem Saturnmond Titan. Seine Dunstschicht bildet sich dort höchstwahrscheinlich unter dem Einfluss der ultravioletten (UV) Strahlung der Sonne aus den kohlenstoffreichen Gasen der Atmosphäre. Ein ähnlicher Prozess könnte bei TRAPPIST-1 b stattfinden, da sein Stern erhebliche UV-Strahlung aussendet.

Es ist kompliziert

Selbst wenn die Daten zu diesem Szenario passen, halten die Astronomen es im Vergleich immer noch für unwahrscheinlicher. Einerseits ist es schwieriger, wenn auch nicht unmöglich, aus einer CO2-reichen Atmosphäre Kohlenwasserstoffverbindungen zu erzeugen, die einen Dunst bilden.

Die Atmosphäre von Titan besteht jedoch hauptsächlich aus Methan. Andererseits bleibt das Problem bestehen, dass die aktiven Roten Zwerge, zu denen auch TRAPPIST-1 gehört, Strahlung und Winde erzeugen, die über Milliarden von Jahren hinweg leicht die Atmosphären benachbarter Planeten erodieren können.

TRAPPIST-1 b ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie schwierig es derzeit selbst für das JWST ist, die Atmosphären von Gesteinsplaneten zu erkennen und zu bestimmen. Sie sind im Vergleich zu Gasplaneten dünn und erzeugen nur schwache messbare Signaturen. Die beiden Beobachtungen zur Untersuchung von TRAPPIST-1 b, die Helligkeitswerte bei zwei Wellenlängen lieferten, dauerten fast 48 Stunden, was nicht ausreichte, um zweifelsfrei festzustellen, ob der Planet eine Atmosphäre hat.

Finsternisse und Bedeckungen als Werkzeug

Die Beobachtungen nutzten die leichte Neigung der Planetenebene zu unserer Sichtlinie zu TRAPPIST-1. Diese Ausrichtung führt dazu, dass die sieben Planeten vor dem Stern vorbeiziehen und ihn bei jedem Umlauf leicht verdunkeln. Folglich führt dies dazu, dass man auf verschiedene Weise etwas über die Natur und Atmosphäre der Planeten lernt.

Als zuverlässige Methode hat sich die sogenannte Transitspektroskopie erwiesen. Dabei wird die Abschwächung eines Sterns durch seinen Planeten in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen. Zusätzlich zur Bedeckung durch den undurchsichtigen Planetenkörper, aus dem Astronomen die Größe des Planeten bestimmen, absorbieren die atmosphärischen Gase das Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen.

Daraus können sie schließen, ob ein Planet eine Atmosphäre hat und woraus diese besteht. Leider hat diese Methode Nachteile, insbesondere für Planetensysteme wie TRAPPIST-1. Kühle Rote Zwergsterne weisen häufig große Sternflecken und starke Eruptionen auf, die die Messung erheblich beeinträchtigen.

Astronomen umgehen dieses Problem weitgehend, indem sie stattdessen wie in der aktuellen Studie mit TRAPPIST-1 b die vom Stern erhitzte Seite eines Exoplaneten im thermischen Infrarotlicht beobachten. Die helle Tagseite ist besonders gut zu erkennen, kurz bevor und nachdem der Planet hinter dem Stern verschwindet.

Die Infrarotstrahlung, die der Planet aussendet, enthält Informationen über seine Oberfläche und Atmosphäre. Allerdings sind solche Beobachtungen zeitaufwändiger als Transitspektroskopie.

Angesichts des Potenzials dieser sogenannten sekundären Sonnenfinsternismessungen hat die NASA kürzlich ein umfangreiches Beobachtungsprogramm zur Untersuchung der Atmosphären von Gesteinsplaneten um nahegelegene Sterne mit geringer Masse genehmigt. Dieses außergewöhnliche Programm „Rocky Worlds“ umfasst 500 Stunden Beobachtung mit dem JWST.

Gewissheit über TRAPPIST-1 b

Das Forscherteam geht davon aus, durch eine weitere Beobachtungsvariante eine endgültige Bestätigung erhalten zu können. Es zeichnet den gesamten Umlauf des Planeten um den Stern auf, einschließlich aller Beleuchtungsphasen von der dunklen Nachtseite beim Vorbeiflug am Stern bis zur hellen Tagseite kurz vor und nach der Abdeckung durch den Stern.

Dieser Ansatz wird es dem Team ermöglichen, eine sogenannte Phasenkurve zu erstellen, die die Helligkeitsschwankung des Planeten entlang seiner Umlaufbahn angibt. Daraus können die Astronomen Rückschlüsse auf die Oberflächentemperaturverteilung des Planeten ziehen.

Das Team hat diese Messung bereits mit TRAPPIST-1 b durchgeführt. Durch die Analyse der Wärmeverteilung auf dem Planeten können sie auf das Vorhandensein einer Atmosphäre schließen. Dies liegt daran, dass eine Atmosphäre dabei hilft, Wärme von der Tagseite zur Nachtseite zu transportieren. Ändert sich die Temperatur am Übergang zwischen den beiden Seiten abrupt, deutet dies auf das Fehlen einer Atmosphäre hin.