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Espresso weist Barium in der Atmosphäre eines Exoplaneten nach

Ein internationales Team mit Beteiligung von Forschenden der Universität Genf (UNIGE) und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS hat das schwerste Element entdeckt, das je in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden wurde: Barium. Ermöglicht wurde diese Leistung durch ESPRESSO, einen Spektrographen, der hauptsächlich von der UNIGE entwickelt und am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO VLT) installiert wurde. Das Team war überrascht, ein solches Element in grosser Höhe der Atmosphäre der ultraheissen Gasriesen WASP-76 b und WASP-121 b zu entdecken, da ihre starke Schwerkraft es – theoretisch – in ihre tiefen Schichten hinunterziehen sollte. Die Studie, die in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, wirft Fragen über die Natur dieser exotischen Atmosphären auf.

Diese künstlerische Darstellung zeigt einen ultraheißen Exoplaneten, einen Planeten jenseits unseres Sonnensystems, der kurz vor dem Transit vor seinem Wirtsstern steht. Wenn das Licht des Sterns die Atmosphäre des Planeten durchdringt, wird es durch die chemischen Elemente und Moleküle in der gasförmigen Schicht gefiltert. Mit empfindlichen Instrumenten lassen sich die Signaturen dieser Elemente und Moleküle von der Erde aus beobachten. Mit dem ESPRESSO-Instrument des Very Large Telescope der ESO haben Astronomen in den beiden ultraheißen Jupitern WASP-76 b und WASP-121 b das bisher schwerste Element in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden: Barium. Credit: ESO/M. Kornmesser

“Diese Entdeckung beweist einmal mehr die Effizienz des Genfer Know-hows auf dem Gebiet der Hochpräzisionsspektroskopie”, kommentiert Francesco Pepe, Professor am Departement Astronomie der UNIGE, Mitautor der Studie und Hauptverantwortlicher für das ESPRESSO-Instrument. “Mit diesem Instrument können wir sowohl neue Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode genau aufspüren als auch die Zusammensetzung der Atmosphäre des Exoplaneten charakterisieren, wie in dieser Studie gezeigt wurde.”

WASP-76 b und WASP-121 b sind keine gewöhnlichen Exoplaneten. Sie sind beide als ultraheisse Jupiter bekannt, da ihre Grösse mit der des Jupiters vergleichbar ist, ihre Oberflächentemperatur jedoch extrem hoch ist und über 1 000 °C liegt. Dies ist auf die Nähe dieser Planeten zu ihrem Wirtsstern zurückzuführen. Ihre Umlaufzeit um den Stern beträgt nur ein bis zwei Tage, was diese Planeten recht exotische Eigenschaften verleiht; bei WASP-76 b beispielsweise vermuten die Astronomen, dass es Eisen regnet.

Eine unerwartete Entdeckung

“Dies ist eine Art ‘zufällige’ Entdeckung”, sagt Tomás Azevedo Silva, Doktorand an der Universität Porto und dem Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) in Portugal, der die Studie leitete. Wir haben nicht erwartet, dass Barium gefunden wird, und wir mussten uns vergewissern, dass es tatsächlich von dem Planeten stammt, da dieses Metall noch nie zuvor auf einem Exoplaneten nachgewiesen wurde”.

Daher waren die Forschenden überrascht, Barium – das 2,5-mal schwerer ist als Eisen – in den oberen Schichten der Atmosphäre von WASP-76 b und WASP-121 b zu finden. “Die starke Schwerkraft auf diesen Planeten sollte eigentlich dazu führen, dass diese schweren Elemente in die tieferen Schichten fallen”, erklärt David Ehrenreich, ausserordentlicher Professor am Department of Astronomy der UNIGE und Mitautor der Studie. “Es muss also einen physikalischen Mechanismus geben, den wir nicht kennen, der das Barium in die oberen Schichten der Atmosphäre dieser heissen Jupiter bringt.

Die Tatsache, dass Barium in der Atmosphäre dieser beiden heissen Jupiter nachgewiesen wurde, deutet darauf hin, dass diese Planetenklasse noch fremder sein könnte als bisher angenommen. Die Frage, die sich den Forschenden nun stellt, ist die nach dem natürlichen Prozess, der das Vorhandensein dieses schweren Elements in so grosser Höhe in diesen Exoplaneten verursachen könnte.

Hochmoderne Werkzeuge

Die Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten erfordert hochspezialisierte Geräte. Das Forschungsteam nutzte das ESPRESSO-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile, um das Sternenlicht zu analysieren, das durch die Atmosphären von WASP-76 b und WASP-121 b gefiltert wurde. Dadurch konnten mehrere Elemente eindeutig nachgewiesen werden, darunter Barium.

These new results show that researchers have only scratched the surface of the mysteries of exoplanets. With future instruments, such as the ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES) that will operate on ESO’s upcoming Extremely Large Telescope (ELT), astronomers at UNIGE, PlanetS and around the world will be able to study the atmospheres of exoplanets, large and small. These instruments will also allow them to analyse the atmospheres of rocky Earth-like planets in much greater detail and to gather more clues about the nature of these strange worlds.

Publication : Detection of Barium in the atmospheres of ultra-hot gas giants WASP-76b & WASP-121b ; https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2213/eso2213a.pdf