Webb schließt dicke Kohlendioxidatmosphäre für felsigen Exoplaneten aus

Infrarotmessungen von TRAPPIST-1 c deuten darauf hin, dass es wahrscheinlich nicht so venusähnlich ist, wie einst angenommen.

Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA hat erfolgreich die Wärmestrahlung von TRAPPIST-1 c gemessen, einem Exoplaneten, der einen Roten Zwergstern 40 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreist. Mit einer Tagestemperatur von etwa 225 Grad Fahrenheit ist es der kühlste Gesteinsplanet, der jemals mit dieser Methode charakterisiert wurde.

Leider sind die Ergebnisse für diejenigen, die hoffen, dass das TRAPPIST-1-System ein echtes Analogon zu unserem System ist, etwas enttäuschend. Obwohl TRAPPIST-1 c ungefähr die gleiche Größe und Masse wie Venus hat und die gleiche Strahlungsmenge von seinem Stern erhält, scheint es unwahrscheinlich, dass er die gleiche dichte Kohlendioxidatmosphäre hat. Dies deutet darauf hin, dass der Planet und möglicherweise das System als Ganzes möglicherweise mit sehr wenig Wasser entstanden sind. Das Ergebnis ist das neueste Ergebnis bei der Suche nach der Frage, ob die Atmosphäre eines Planeten in der gewalttätigen Umgebung eines Roten Zwergs überleben kann.

Ein internationales Forscherteam hat mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA die Menge an Wärmeenergie berechnet, die vom felsigen Exoplaneten TRAPPIST-1 c ausgeht. Das Ergebnis legt nahe, dass die Atmosphäre des Planeten – sofern sie überhaupt existiert – extrem dünn ist.

Mit einer Tagestemperatur von etwa 380 Kelvin (etwa 225 Grad Fahrenheit) ist TRAPPIST-1 c nun der kühlste felsige Exoplanet, der jemals anhand seiner thermischen Emission charakterisiert wurde. Die für diese Messungen erforderliche Präzision ist ein weiterer Beweis für Webbs Nützlichkeit bei der Charakterisierung felsiger Exoplaneten, die in Größe und Temperatur denen unseres eigenen Sonnensystems ähneln.

Das Ergebnis markiert einen weiteren Schritt bei der Bestimmung, ob Planeten, die kleine Rote Zwerge wie TRAPPIST-1 – den häufigsten Sterntyp in der Galaxie – umkreisen, die Atmosphären aufrechterhalten können, die für die Unterstützung des Lebens, wie wir es kennen, erforderlich sind.

„Wir wollen wissen, ob Gesteinsplaneten Atmosphären haben oder nicht“, sagte Sebastian Zieba, Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland und Erstautor der heute veröffentlichten Ergebnisse Natur. „Früher konnten wir Planeten nur mit dicken, wasserstoffreichen Atmosphären wirklich untersuchen. Mit Webb können wir endlich mit der Suche nach Atmosphären beginnen, die von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid dominiert werden.“

„TRAPPIST-1 c ist interessant, weil es im Grunde ein Venus-Zwilling ist: Es ist etwa so groß wie die Venus und erhält von seinem Heimatstern eine ähnliche Strahlungsmenge wie die Venus von der Sonne“, erklärte Co-Autorin Laura Kreidberg, ebenfalls von Max Planck. „Wir dachten, es könnte eine dichte Kohlendioxidatmosphäre wie die Venus haben.“

TRAPPIST-1 c ist einer von sieben Gesteinsplaneten, die einen ultrakühlen Roten Zwergstern (oder M-Zwerg) 40 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen. Obwohl die Planeten in Größe und Masse den inneren Gesteinsplaneten in unserem eigenen Sonnensystem ähneln, ist nicht klar, ob sie tatsächlich eine ähnliche Atmosphäre haben. Während der ersten Milliarde Jahre ihres Lebens emittieren M-Zwerge helle Röntgen- und Ultraviolettstrahlung, die eine junge Planetenatmosphäre leicht zerstören kann. Darüber hinaus waren möglicherweise nicht genügend Wasser, Kohlendioxid und andere flüchtige Stoffe verfügbar, um bei der Entstehung der Planeten eine substanzielle Atmosphäre zu bilden.

Um diese Fragen zu beantworten, beobachtete das Team mit MIRI (Webbs Mid-Infrared Instrument) das TRAPPIST-1-System viermal, während sich der Planet hinter dem Stern bewegte, ein Phänomen, das als sekundäre Sonnenfinsternis bekannt ist. Durch den Vergleich der Helligkeit, wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet (nur Sternenlicht), mit der Helligkeit, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet (Licht von Stern und Planet zusammen), konnte das Team die Menge an Licht im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen von berechnen 15 Mikrometer, die von der Tagseite des Planeten abgegeben werden.

Diese Methode ist die gleiche wie die, die ein anderes Forschungsteam verwendet hat, um festzustellen, dass TRAPPIST-1 b, der innerste Planet im System, wahrscheinlich keine Atmosphäre hat.

Die Menge des von einem Planeten emittierten Lichts im mittleren Infrarotbereich steht in direktem Zusammenhang mit seiner Temperatur, die wiederum von der Atmosphäre beeinflusst wird. Kohlendioxidgas absorbiert bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge von 15 Mikrometern und lässt den Planeten bei dieser Wellenlänge dunkler erscheinen. Wolken können jedoch Licht reflektieren, wodurch der Planet heller erscheint und das Vorhandensein von Kohlendioxid verdeckt wird.

Darüber hinaus verteilt eine substanzielle Atmosphäre jeglicher Zusammensetzung die Wärme von der Tagseite auf die Nachtseite, wodurch die Tagestemperatur niedriger ist als ohne Atmosphäre. (Da TRAPPIST-1 c seinen Stern so nah umkreist – etwa 1/50 der Entfernung zwischen Venus und Sonne – wird angenommen, dass er gezeitengebunden ist, mit einer Seite in ständigem Tageslicht und der anderen in endloser Dunkelheit.)

Obwohl diese ersten Messungen keine endgültigen Informationen über die Natur von TRAPPIST-1 c liefern, helfen sie doch, die wahrscheinlichen Möglichkeiten einzugrenzen. „Unsere Ergebnisse stimmen damit überein, dass der Planet ein nackter Fels ohne Atmosphäre ist oder dass der Planet eine wirklich dünne CO2-Atmosphäre (dünner als auf der Erde oder sogar dem Mars) ohne Wolken hat“, sagte Zieba. „Wenn der Planet eine dichte CO2-Atmosphäre hätte, hätten wir eine wirklich flache sekundäre Sonnenfinsternis oder gar keine beobachtet. Das liegt daran, dass das CO2 das gesamte 15-Mikrometer-Licht absorbieren würde, sodass wir kein Licht von dort erkennen würden.“ der Planet.“

Die Daten zeigen auch, dass es unwahrscheinlich ist, dass der Planet ein echtes Venus-Analogon mit einer dicken CO2-Atmosphäre und Schwefelsäurewolken ist.

Das Fehlen einer dichten Atmosphäre deutet darauf hin, dass der Planet möglicherweise mit relativ wenig Wasser entstanden ist. Wenn sich die kühleren, gemäßigteren TRAPPIST-1-Planeten unter ähnlichen Bedingungen gebildet hätten, könnten auch sie mit wenig Wasser und anderen Komponenten begonnen haben, die notwendig sind, um einen Planeten bewohnbar zu machen.

Die Sensibilität, die erforderlich ist, um auf einem so weit entfernten kleinen Planeten zwischen verschiedenen atmosphärischen Szenarien zu unterscheiden, ist wirklich bemerkenswert. Der Helligkeitsabfall, den Webb während der sekundären Sonnenfinsternis feststellte, betrug nur 0,04 Prozent: Das entspricht dem Anblick einer Anzeige aus 10.000 winzigen Glühbirnen und der Feststellung, dass nur vier erloschen sind.

„Es ist außergewöhnlich, dass wir das messen können“, sagte Kreidberg. „Seit Jahrzehnten gibt es Fragen darüber, ob Gesteinsplaneten die Atmosphäre aufrechterhalten können. Webbs Fähigkeit bringt uns wirklich in ein Regime, in dem wir beginnen können, Exoplanetensysteme auf eine Weise mit unserem Sonnensystem zu vergleichen, wie wir es noch nie zuvor getan haben.“

Diese Forschung wurde im Rahmen von Webbs General Observers (GO)-Programm 2304 durchgeführt, einem von acht Programmen aus Webbs erstem Wissenschaftsjahr, das zur vollständigen Charakterisierung des TRAPPIST-1-Systems beitragen soll. Im kommenden Jahr werden Forscher eine Folgeuntersuchung durchführen, um die vollständigen Umlaufbahnen von TRAPPIST-1 b und TRAPPIST-1 c zu beobachten. Dies wird es ermöglichen, zu sehen, wie sich die Temperaturen von der Tag- zur Nachtseite der beiden Planeten ändern, und weitere Einschränkungen dafür liefern, ob sie Atmosphären haben oder nicht.

Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.