Webb präsentiert den bisher besten Beweis für die Atmosphäre felsiger Exoplaneten

Forscher mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA haben möglicherweise eine Atmosphäre um 55 Cancri e entdeckt, einen felsigen Exoplaneten 41 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dies ist der bisher beste Beweis für eine Gesteinsplanetenatmosphäre außerhalb unseres Sonnensystems. Brice-Olivier Demory, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS, war gerade Teil des internationalen Forschungsteams veröffentlicht die Ergebnisse in Natur.

55 Cancri e ist einer von fünf bekannten Planeten, die einen sonnenähnlichen Stern im Sternbild Krebs umkreisen. Mit einem Durchmesser, der fast doppelt so groß ist wie der der Erde, und einer etwas größeren Dichte wird der Planet als Supererde klassifiziert: größer als die Erde, kleiner als Neptun und in seiner Zusammensetzung den Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem ähnlich.

Brice-Olivier Demory vom Center for Space and Habitability CSH der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS ist Co-Autor der Studie. Er sagt: „55 Cancri e ist einer der rätselhaftesten Exoplaneten. Trotz der enormen Beobachtungszeit, die mit einem Dutzend Boden- und Weltraumeinrichtungen im letzten Jahrzehnt gewonnen wurde, blieb seine eigentliche Natur bis heute schwer fassbar, bis heute Teile des Rätsels gelöst werden.“ konnte dank des James Webb Space Telescope (JWST) endlich zusammengestellt werden.

Überraschenderweise zeigen diese Beobachtungen, dass es für einen heißen und stark verstrahlten Gesteinsplaneten möglich sein könnte, eine gasförmige Atmosphäre aufrechtzuerhalten, und sind ein gutes Zeichen für die Fähigkeit des JWST, kühlere – potenziell bewohnbare – Gesteinsplaneten zu charakterisieren, die sonnenähnliche Sterne umkreisen.

Renyu Hu vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA leitete das Team. „JWST verschiebt wirklich die Grenzen der Exoplanetencharakterisierung auf felsige Exoplaneten“, sagte Hu. „Es ermöglicht wirklich eine neue Art von Wissenschaft.“

Berner Weltraumteleskop CHEOPS lieferte wichtige Erkenntnisse

Demory wurde von Hu, einem seiner Kollegen, als er am Massachusetts Institute of Technology (MIT) war, zum Forschungsprogramm eingeladen. Demory hat seit Beginn seiner Karriere 55 Cancri e studiert. „Als Postdoc am MIT leitete ich die Entdeckung des ersten Transits von 55 Cancri e, und 2016 veröffentlichte mein Team die erste Karte eines felsigen Exoplaneten, der 55 Cancri e war.“ Das Ergebnis von 2016 deutete bereits auf das mögliche Vorhandensein einer Atmosphäre um 55 Cancri e hin.

Für die aktuelle Studie führte Demory eine unabhängige Analyse des JWST-Datensatzes durch. Er erklärt: „In den letzten zwei Jahren war das an der Universität Bern entwickelte und gebaute Weltraumteleskop CHEOPS entscheidend für die Lösung mehrerer Fragen, die Astrophysiker rund um 55 Cancri e hatten. JWST hat dieses Bild bei infraroten Wellenlängen durch die Darstellung ergänzt.“ dass die Supererde 55 Cancri e von einer Atmosphäre umgeben sein könnte, deren Zusammensetzung mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid übereinstimmt.

Superheiße Supererde und immer noch kühler als erwartet

Obwohl 55 Cancri e in seiner Zusammensetzung den Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem ähnelt, könnte die Beschreibung als „felsig“ einen falschen Eindruck hinterlassen. Der Planet umkreist seinen Stern so nah (eine vollständige Umlaufbahn dauert 18 Stunden, verglichen mit den 365 Tagen unserer Erde), dass seine Oberfläche geschmolzen sein muss – ein tiefer, brodelnder Ozean aus Magma. Bei einer so engen Umlaufbahn ist der Planet wahrscheinlich auch durch Gezeiten blockiert, mit einer Tagseite, die immer dem Stern zugewandt ist, und einer Nachtseite, die in ständiger Dunkelheit herrscht. „Der Planet ist so heiß, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampfen sollte“, erklärte Hu.

Obwohl JWST kein direktes Bild von 55 Cancri e aufnehmen kann, kann es subtile Veränderungen im Licht des Systems messen, während der Planet den Stern umkreist. Das Team nutzte die NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument) von JWST, um das vom Planeten ausgehende Infrarotlicht zu messen.

Durch Subtrahieren der Helligkeit während der sekundären Sonnenfinsternis, wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet (nur Sternenlicht), von der Helligkeit, wenn sich der Planet direkt neben dem Stern befindet (Licht von Stern und Planet zusammen), konnte das Team den Betrag berechnen von Infrarotlicht, das von der Tagseite des Planeten in mehreren Wellenlängen gleichzeitig kommt.

Der erste Hinweis darauf, dass 55 Cancri e eine substanzielle Atmosphäre haben könnte, stammte aus Temperaturmessungen, die auf seiner thermischen Emission oder der in Form von Infrarotlicht abgegebenen Wärmeenergie basierten. Wenn der Planet von dunklem geschmolzenem Gestein mit einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein oder überhaupt keiner Atmosphäre bedeckt ist, sollte die Tagseite etwa 2200 Grad Celsius haben.

„Stattdessen zeigten die MIRI-Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 1500 Grad Celsius“, sagte Hu. „Dies ist ein sehr starker Hinweis darauf, dass die Energie von der Tagseite zur Nachtseite verteilt wird, höchstwahrscheinlich durch eine flüchtige Atmosphäre.“

Während Lavaströme etwas Wärme zur Nachtseite transportieren können, können sie diese nicht effizient genug transportieren, um den Kühleffekt zu erklären. Tatsächlich sieht die Tagseite mehrere hundert Grad kühler aus, als sie sollte, selbst wenn die Hitze gleichmäßig über den Planeten verteilt ist. Dies ist sinnvoll, wenn ein Teil des von der Oberfläche emittierten Infrarotlichts von der Atmosphäre absorbiert wird und niemals das Teleskop erreicht.

Blubbernder Magma-Ozean

Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Cancri e bedecken, aus dem Inneren heraussprudeln. Aufgrund der hohen Temperatur und der intensiven Strahlung des Sterns wäre die Primäratmosphäre längst verschwunden.

Dabei handelte es sich um eine Sekundäratmosphäre, die durch den Magma-Ozean kontinuierlich wieder aufgefüllt wird. Magma besteht nicht nur aus Kristallen und flüssigem Gestein, es enthält auch jede Menge gelöstes Gas.

Während 55 Cancri e viel zu heiß ist, um bewohnbar zu sein, könnte er ein einzigartiges Fenster zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Atmosphären, Oberflächen und Innenräumen von Gesteinsplaneten bieten und möglicherweise Einblicke in die frühe Erde, Venus und Mars geben, von denen man annimmt, dass sie dies getan haben waren vor langer Zeit von Magma-Ozeanen bedeckt. „Letztendlich wollen wir verstehen, welche Bedingungen es einem Gesteinsplaneten ermöglichen, eine gasreiche Atmosphäre aufrechtzuerhalten: die Schlüsselzutat für einen bewohnbaren Planeten“, sagte Hu.