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Ausserirdische Winde

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des NFS-PlanetS und der Universität Genf untersuchte Windmuster auf einem Exoplaneten mit extremen Bedingungen. Ihre Erkenntnisse könnten uns dabei helfen, die Atmosphären anderer Welten zu verstehen. Einschliesslich unserer eigenen.

Stellen Sie sich vor, Sie würden vom Weltraum aus auf die Erde hinunterblicken. Ihre Aufgabe wäre es, die groben Bewegungsmuster der Atmosphäre zu beschreiben.

Erschwerend würde hinzukommen, dass Sie Lichtjahre entfernt wären. Auf Windmuster könnten sie nur indirekt schliessen. Und zwar über Unterschiede im beobachteten Sonnenlicht, hervorgerufen durch die an der Sonne vorüberziehenden Erde.

So in etwa können Sie sich die Arbeit von Exoplanetenforschern vorstellen.

Ein heisser Jupiter mit Natrium

Forscherinnen, wie Julia Seidel vom NFS PlanetS und ihre Kollegen. Das Team untersuchte Windmuster eines Exoplaneten namens HD189733b, der 64 Lichtjahre entfernt ist. Es handelt sich dabei um einen gasförmigen Planeten, ähnlich wie Jupiter. Anders als Jupiter, umkreist er seinen Stern in einer nahen Umlaufbahn. So nahe, dass der Stern etwa einen Viertel des von der Oberfläche aus betrachten Himmels ausmachen würde.

Selbstverständlich ist der Planet sehr heiss. Seine mittlere Temperatur liegt bei über 3000 Grad Celsius. “Diese ganze Hitze bläht die gesamte Atmosphäre auf”, erklärt Julia Seidel. “Alles ist verdampft und die Atmosphäre erstreckt sich weit über das hinaus, was man erwarten würde.”

Um die physikalischen Mechanismen hinter dieser “aufgeblasenen” Atmosphäre zu verstehen, nutzten die Wissenschaftler den Spektrographen “HARPS” am 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte in La Silla, Chile. Mit ihm massen sie die Lichtveränderungen, die durch das Vorbeiziehen des Planeten zwischen dem Instrument und dem Stern verursacht werden. Ein so genannter Transit.

Einige dieser Veränderungen sind auf die Gase in der Atmosphäre des Planeten zurückzuführen, die das Licht absorbieren. Darunter sind Natriumgase. Sie absorbieren im gelben Lichtspektrum sehr stark und weisen dabei ein ausgeprägtes Muster auf – das so genannte “Natriumdublett”. Das von den Wissenschaftlern gemessene Muster ist unten dargestellt.

Das Transmissionsspektrum von HD189733b für das Natriumdublett, gemessen von Seidel et al., 2020.

“Der Grund, warum wir Natrium untersucht haben, ist, dass es über einen grossen Teil der Atmosphäre messbar ist und uns daher einen guten Überblick verschafft.”, sagt Seidel gegenüber PlanetS. “Die unteren Teile der Natrium-Absorptionsspitzen, die den Schichten der Atmosphäre unterhalb der Thermosphäre entsprechen, zeigen eine signifikante Verbreiterung”, erklärt sie.  “Mehr als man erwarten würde, sogar unter Berücksichtigung der Druck- und Temperaturverbreiterung”.

Ein Merkmal, das auf starke Winde hinwies, die die so genannte

Die meisten von uns sind mit dem Doppler-Effekt vertraut. Er verursacht etwa den wahrgenommenen Unterschied in der Tonhöhe eines vorbeifahrenden Krankenwagens.

Was wir Tonhöhe nennen, hängt mit der Frequenz der Schallwellen zusammen. Wenn die Frequenz zunimmt, d.h. wenn uns mehr Wellen pro Zeit erreichen, nimmt die Tonhöhe zu. Im Falle des Krankenwagens wird dies durch seine Bewegung auf uns zu verursacht.

Der gleiche Effekt kann auch bei anderen Wellenarten beobachtet werden. Lichtquellen, etwa, erscheinen rötlicher wenn sie sich von uns weg bewegen. Das liegt daran, dass die Frequenz abnimmt. In der Astronomie wurde mit diesem Effekt – der so genannten Rotverschiebung – festgestellt dass sich das Universum ausdehnt.

Wenn Licht, das von seinem Stern ausstrahlt wird, die Atmosphäre von HD 189733b durchquert, interagieren Teile davon mit dem sich darin befindenden Natrium. Die Natriummoleküle werden jedoch durch starke Winde bewegt. Von unserem Standpunkt aus gesehen, einige auf uns zu, andere von uns weg. Das von ihnen wieder abgegebene Licht wird also in seinem Spektrum verschoben, was dann als Verbreiterung gemessen wird.

Daher schien die Ausdehnung der Atmosphäre nach aussen durch Winde unterhalb der Thermosphäre verursacht zu sein.

Aber welche Art von Winden könnte die gemessene Verbreiterung erzeugen?

 

Extrem ist simpler…

Auf der Erde sind die Windmuster recht komplex. In mittleren Breiten wehen die Winde vorwiegend aus westlicher Richtung. Weiter in Richtung der Pole und des Äquators wehen sie aus Osten. Die Muster verschieben sich mit den Jahreszeiten nach Norden und Süden und können mit der Höhe variieren.

 

Auf HD189733b sind die Dinge einfacher. Aufgrund der extremen Hitze und anderer Parameter wie der planetarischen Schwerkraft waren nur drei grossräumige Muster (und Kombinationen davon) wahrscheinlich:

 

 

Diese Muster wurden dann mit relativ einfachen Modellen der Atmosphäre simuliert, die mit der verfügbaren Rechenleistung sparsam umgehen. Sie enthielten jedoch eine obere Schicht und eine untere Schicht, um so verschiedene Windmuster kombinieren zu können. Beispielsweise konnte die untere Schicht Tag-Nacht-Wind aufweisen, während in der oberen Schicht vertikale Winde auftraten.

Plausible Windmuster auf HD189733b, berechnet von Seidel et al., 2020.

Auf der Grundlage dieser modellierten Atmosphären erstellten die Wissenschaftler künstliche Transmissionsspektren für Natrium (ähnlich wie das oben gezeigte), die mit den tatsächlichen Messungen verglichen werden konnten. Dieser Vergleich gab Aufschluss darüber, welche Muster die Beobachtungen am besten reproduzieren und damit am wahrscheinlichsten sein könnten.

 

Die Ergebnisse sind für die untere Schicht, unterhalb der Thermosphäre, nicht schlüssig. Sie weisen jedoch darauf hin, dass die obere Schicht von vertikalen Winden dominiert wird. Und zwar von extremen: Die Schätzung liegt bei einem Mehrfachen der Schallgeschwindigkeit. Diese extrem hohen Geschwindigkeiten werden möglicherweise durch ein starkes Magnetfeld in der Äquatorregion des Planeten beeinflusst.

 

 

…aber es bleiben Fragen offen

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Julia Seidel ist Doktorandin an der Universität Genf /PlanetS.

Seidel et al. Liefern also eine mögliche eine Antwort auf die Frage nach der “aufgeblasenen” Atmosphäre auf HD189733b und die damit verbundene Dopplerverbreiterung vor: extreme vertikale Winde in den oberen Atmosphärenschichten.

 

Aber wie so oft in der Forschung, kommt diese Antwort nicht ohne neue Fragen. Zum Beispiel in Bezug darauf, was sich näher an der Oberfläche abspielt. “Die derzeitige Datenqualität erlaubt es uns nicht, Windmuster in der unteren Atmosphäre zu unterscheiden”, schreibt die Gruppe in ihrer Publikation.

 

Weitere Forschung mit neuen Generationen von Instrumenten, wie zum Beispiel dem ESPRESSO-Spektrographen am Paranal-Observatorium der ESO in Chile, wird es ihnen ermöglichen, ihr Verständnis zu verbessern. Verständnis, das nicht nur für heisse Jupiter von Bedeutung sein könnte.

 

“Nicht zuletzt”, so Julia Seidel, “helfen uns diese extremen Welten, das empfindliche Gleichgewicht zu verstehen, das uns ermöglicht, die Erde zu bewohnen. Die Unterschiede zwischen den Bedingungen, die ein Leben mit Gin Tonics ermöglichen, und jenen, die zu einem höllischen Inferno führen, sind nicht so gross”.

Referenz: V. Seidel, D. Ehrenreich, L. Pino, V. Bourrier, B. Lavie, R. Allart, A. Wyttenbachand C. Lovis, Wind of change: retrieving exoplanet atmospheric winds from high-resolution spectroscopy, DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936892, Published in Astronomy & Astrophysics, 17 January 2020

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