Webb findet zum ersten Mal Atmosphäre auf einem felsigen Exoplaneten

Gas, das aus einer mit Lava bedeckten Oberfläche auf 55 Cancri e aufsprudelt, kann eine Atmosphäre voller Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid speisen.

Heutzutage klingt es vielleicht nicht mehr nach einer so großen Sache, eine Planetenatmosphäre zu entdecken, die zehn oder sogar hunderte Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Wissenschaftler haben in den letzten zwei Jahrzehnten Anzeichen einer Atmosphäre gefunden, die Dutzende Exoplaneten umgibt. Der Haken daran ist, dass alle diese Planeten eine dicke, von Wasserstoff dominierte Atmosphäre haben, die relativ einfach zu untersuchen ist. Die viel dünneren Gasdecken, die mit ziemlicher Sicherheit einige kleine, felsige Exoplaneten umgeben, sind bislang schwer fassbar.

Forscher glauben, dass sie endlich einen Blick auf eine flüchtige Atmosphäre erhaschen konnten, die einen Gesteinsplaneten umgibt. Licht, das von der heißen, stark bestrahlten Quelle abgegeben wird Exoplanet 55 Cancri e liefert überzeugende Beweise für eine Atmosphäre, die wahrscheinlich reich an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid ist und möglicherweise aus einem riesigen Lavaozean sprudelt, der die Oberfläche des Planeten bedeckt.

Das Ergebnis ist der bisher beste Beweis für eine Gesteinsplanetenatmosphäre außerhalb unseres Sonnensystems.

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet 55 Cancri e aussehen könnte. 55 Cancri e, auch Janssen genannt, ist eine sogenannte Supererde, ein Gesteinsplanet, der deutlich größer als die Erde, aber kleiner als Neptun ist und seinen Stern in einer Entfernung von nur 1,4 Millionen Meilen (0,015 astronomischen Einheiten) umkreist und dabei eine vollständige Umlaufbahn durchläuft in weniger als 18 Stunden. (Merkur ist 25 Mal weiter von der Sonne entfernt als 55 Cancri e von seinem Stern.) Das System, zu dem auch vier große Gasriesenplaneten gehören, befindet sich etwa 41 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Krebs. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Webb-Weltraumteleskop deutet auf mögliche Atmosphäre rund um den felsigen Exoplaneten hin

Forscher verwenden NASA‘S James Webb-Weltraumteleskop haben möglicherweise atmosphärische Gase rund um 55 Cancri e entdeckt, einen heißen felsigen Exoplaneten 41 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dies ist der bisher beste Beweis für die Existenz einer Gesteinsplanetenatmosphäre außerhalb unseres Sonnensystems.

Renyu Hu vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (JPL) in Pasadena, Kalifornien, ist Hauptautor eines Artikels, der am 8. Mai in veröffentlicht wurde Natur. „Webb verschiebt die Grenzen der Charakterisierung von Exoplaneten auf Gesteinsplaneten“, sagte Hu. „Es ermöglicht wirklich eine neue Art von Wissenschaft.“

Superheiße Supererde 55 Cancri e

55 Cancri e, auch bekannt als Janssen, ist einer von fünf bekannten Planeten, die den sonnenähnlichen Stern 55 Cancri 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 Neptunund wahrscheinlich in ihrer Zusammensetzung den Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem ähnlich.

55 Cancri e als „felsig“ zu bezeichnen, könnte jedoch einen falschen Eindruck hinterlassen. Der Planet umkreist seinen Stern so nah (ungefähr 1,4 Millionen Meilen oder ein Zwanzigfünftel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne), dass seine Oberfläche wahrscheinlich geschmolzen ist – ein 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.

Trotz zahlreicher Beobachtungen seit der Entdeckung seines Transits im Jahr 2011 stellt sich die Frage, ob 55 Cancri e eine Atmosphäre hat – oder überhaupt könnte Die Frage, ob jemand aufgrund seiner hohen Temperatur und des ständigen Ansturms von Sternstrahlung und Wind von seinem Stern aus fragt, blieb unbeantwortet.

„Ich arbeite seit mehr als einem Jahrzehnt auf diesem Planeten“, sagte Diana Dragomir, Exoplanetenforscherin an der University of New Mexico und Mitautorin der Studie. „Es war wirklich frustrierend, dass keine der Beobachtungen, die wir erhalten haben, diese Rätsel nachhaltig lösen konnte. Ich bin begeistert, dass wir endlich Antworten bekommen!“

Im Gegensatz zu den Atmosphären von Gasriesenplaneten, die relativ leicht zu erkennen sind (der erste wurde von der NASA entdeckt). Hubble-Weltraumteleskop (vor mehr als zwei Jahrzehnten) sind dünnere und dichtere Atmosphären, die Gesteinsplaneten umgeben, bislang schwer fassbar.

Frühere Studien von 55 Cancri e unter Verwendung von Daten des inzwischen stillgelegten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA deuteten auf das Vorhandensein einer beträchtlichen Atmosphäre hin, die reich an flüchtigen Stoffen (Molekülen, die in Gasform auf der Erde vorkommen) wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid ist. Aber die Forscher konnten eine andere Möglichkeit nicht ausschließen: dass der Planet bis auf eine dünne Hülle aus verdampftem Gestein, das reich an Elementen wie Silizium, Eisen, Aluminium und Kalzium ist, kahl ist. „Der Planet ist so heiß, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampfen sollte“, erklärte Hu.

Diese Lichtkurve zeigt die Änderung der Helligkeit des 55-Cancri-Systems, wenn sich der Gesteinsplanet 55-Cancri-e, der nächstgelegene der fünf bekannten Planeten im System, hinter dem Stern bewegt. Dieses Phänomen wird als sekundäre Sonnenfinsternis bezeichnet.
Wenn sich der Planet neben dem Stern befindet, erreicht das vom Stern und der Tagseite des Planeten emittierte Licht im mittleren Infrarot das Teleskop und das System erscheint heller. Wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet, wird das vom Planeten emittierte Licht blockiert und nur das Sternenlicht erreicht das Teleskop, wodurch die scheinbare Helligkeit abnimmt.
Astronomen können die Helligkeit des Sterns von der kombinierten Helligkeit des Sterns und des Planeten abziehen, um zu berechnen, wie viel Infrarotlicht von der Tagseite des Planeten kommt. Daraus wird dann die Tagestemperatur berechnet und daraus abgeleitet, ob der Planet eine Atmosphäre hat oder nicht.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)

Messung subtiler Variationen in Infrarotfarben

Um zwischen den beiden Möglichkeiten zu unterscheiden, nutzte das Team Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument), um 4 bis 12 Mikrometer Infrarotlicht zu messen, das vom Planeten kommt.

Obwohl Webb 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 subtrahierte die Helligkeit während der sekundären Sonnenfinsternis (siehe Bild oben), 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). in der Lage, die Menge des Infrarotlichts verschiedener Wellenlängen zu berechnen, das von der Tagseite des Planeten kommt.

Diese als Sekundärfinsternisspektroskopie bekannte Methode ähnelt der Methode, mit der andere Forschungsteams nach Atmosphären auf anderen felsigen Exoplaneten wie TRAPPIST-1 b suchen.

Ein thermisches Emissionsspektrum, das im November 2022 von Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) und im März 2023 von MIRI (Mid-Infrared Instrument) aufgenommen wurde, zeigt die Helligkeit (y-Achse) verschiedener Wellenlängen des emittierten Infrarotlichts (x-Achse). durch den Supererde-Exoplaneten 55 Cancri e. Das Spektrum zeigt, dass der Planet möglicherweise von einer Atmosphäre umgeben ist, die reich an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid und anderen flüchtigen Stoffen ist, und nicht nur von verdampftem Gestein.
Die Grafik vergleicht die von NIRCam (orangefarbene Punkte) und MIRI (violette Punkte) gesammelten Daten mit zwei verschiedenen Modellen. Modell A zeigt in Rot, wie das Emissionsspektrum von 55 Cancri e aussehen würde, wenn es eine Atmosphäre aus verdampftem Gestein hätte. Modell B zeigt in Blau, wie das Emissionsspektrum aussehen sollte, wenn der Planet eine Atmosphäre hat, die reich an flüchtigen Stoffen ist, die aus einem Magma-Ozean ausgegast wird, der einen ähnlichen flüchtigen Gehalt wie der Erdmantel hat. Sowohl MIRI- als auch NIRCam-Daten stimmen mit dem flüchtigen Modell überein.
Die Menge des vom Planeten emittierten Lichts im mittleren Infrarotbereich (MIRI) zeigt, dass seine Tagestemperatur deutlich niedriger ist, als sie wäre, wenn er keine Atmosphäre hätte, um die Wärme von der Tag- zur Nachtseite zu verteilen. Der Abfall im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikrometern (NIRCam-Daten) kann durch die Absorption dieser Wellenlängen durch Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidmoleküle in der Atmosphäre erklärt werden.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (Universität Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Cooler als erwartet

Der erste Hinweis darauf, dass 55 Cancri e eine substanzielle Atmosphäre haben könnten, stammte aus Temperaturmessungen, die auf seiner thermischen Emission (siehe Bild oben) 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, sollten die Temperaturen auf der Tagseite etwa 4.000 Grad betragen Fahrenheit (~2.200 Grad Celsius).

„Stattdessen zeigten die MIRI-Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 2.800 Grad Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]“, sagte Hu. „Dies ist ein sehr starker Hinweis darauf, dass 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.

Als sich das Team die NIRCam-Daten ansah, sahen sie Muster, die mit einer volatilreichen Atmosphäre im Einklang standen.“

Wir sehen Hinweise auf einen Einbruch im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikrometern – weniger von diesem Licht erreicht das Teleskop“, erklärte Co-Autor Aaron Bello-Arufe, ebenfalls vom NASA JPL. „Dies deutet auf das Vorhandensein einer Atmosphäre hin, die Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid enthält, die diese Lichtwellenlängen absorbieren.“ Ein Planet ohne Atmosphäre oder mit einer Atmosphäre, die nur aus verdampftem Gestein besteht, hätte dieses spezifische Spektralmerkmal nicht.

„Wir haben die letzten zehn Jahre damit verbracht, verschiedene Szenarien zu modellieren und uns vorzustellen, wie diese Welt aussehen könnte“, sagte Co-Autorin Yamila Miguel vom Observatorium Leiden und dem Niederländischen Institut für Weltraumforschung (SRON). „Endlich eine Bestätigung für unsere Arbeit zu bekommen, ist unbezahlbar!“

Sprudelnder Magma-Ozean

Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Cancri e bedecken, aus dem Inneren sprudeln und nicht seit der Entstehung des Planeten vorhanden sind. „Aufgrund der hohen Temperatur und der intensiven Strahlung des Sterns wäre die Primäratmosphäre längst verschwunden“, sagte Bello-Arufe. „Dies wäre eine sekundäre Atmosphäre, die durch den Magma-Ozean kontinuierlich nachgefüllt wird. Magma besteht nicht nur aus Kristallen und flüssigem Gestein; Es ist auch viel gelöstes Gas darin.“

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

Diese Forschung wurde im Rahmen von Webbs General Observers (GO) Program 1952 durchgeführt. Die Analyse zusätzlicher sekundärer Sonnenfinsternisbeobachtungen von 55 Cancri e ist derzeit im Gange.

Referenz: „Eine Sekundäratmosphäre auf dem felsigen Exoplaneten 55 Cancri e“ von Renyu Hu, Aaron Bello-Arufe, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christiaan van Buchem, Michael Bess, Jayshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Scheucher , Apurva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandeker und Brice-Olivier Demory, 8. Mai 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07432-x

Das James Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.