Wetterbericht: Heiße, glühende Sandstürme auf dem Exoplaneten VHS 1256 b.
Wurde Ihnen schon einmal heißer Sand ins Gesicht gepeitscht? Das ist eine beruhigende Erfahrung im Vergleich zu den flüchtigen Bedingungen, die hoch in der Atmosphäre des Planeten VHS 1256 b entdeckt wurden. Forscher haben mit dem James Webb Weltraumteleskop nachgewiesen, dass seine Wolken aus Silikatpartikeln bestehen, die von feinen Flecken bis zu kleinen Körnern reichen. Außerdem ist die nahezu konstante Wolkendecke des Planeten in Bewegung! Das internationale Team, dem auch Schweizer Forscher der ETH Zürich und des NCCR PlanetS angehören, geht davon aus, dass die in diesen Wolken wirbelnden Silikate periodisch zu schwer werden und in die Tiefen der Planetenatmosphäre abregnen. Die Beobachtungen von Webb zeigen auch klare Signaturen von Wasser, Methan und Kohlenmonoxid und liefern Hinweise auf Kohlendioxid. Dies ist erst der Anfang der Forschungsarbeiten des Teams – viele weitere Erkenntnisse werden erwartet, wenn sie sich weiter mit dem “Datenregen” von Webb beschäftigen.
Künstlerische Darstellung der wirbelnden Wolken, die das James Webb Space Telescope in der Atmosphäre des Exoplaneten VHS 1256 b identifiziert hat. Der Planet ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und umkreist zwei Sterne, die in ihrer eigenen engen Rotation gefangen sind.
Forscher eines internationalen Teams unter der Leitung der University of Arizona (USA) und des Space Telescope Science Institute (USA), dem auch Forscher der University of Santa Cruz (USA), der University of Edinburgh (Schottland), der ETH Zürich (Schweiz) und des NCCR PlanetS (Schweiz) angehören, haben mit dem James-Webb-Weltraumteleskop Merkmale einer Silikatwolke in der Atmosphäre eines fernen Planeten entdeckt. Die Atmosphäre steigt während ihres 22-Stunden-Tages ständig auf, vermischt sich und bewegt sich, wodurch heißeres Material nach oben und kälteres Material nach unten gedrückt wird. Die daraus resultierenden Helligkeitsschwankungen sind so dramatisch, dass es sich um das variabelste Objekt mit Planetenmasse handelt, das bisher bekannt ist. Da die Helligkeit in der Regel das ist, was es den Astronomen ermöglicht, die Masse solcher direkt beobachteten Objekte zu bestimmen, bedeutet dies auch, dass die Masse des Planeten im Falle dieses Planeten nicht so einfach einzugrenzen ist. Es besteht sogar die Möglichkeit, dass dieser Planet so massiv ist, dass er in eine andere Kategorie von Objekten fällt – braune Zwerge -, die auf halbem Weg zwischen den massereicheren Planeten wie Jupiter und den kleineren Sternen liegen. Das Team unter der Leitung von Brittany Miles von der University of Arizona konnte mit den Daten von Webb auch Wasser, Methan und Kohlenmonoxid außerordentlich deutlich nachweisen und fand auch Hinweise auf Kohlendioxid. Dies ist die größte Anzahl von Molekülen, die jemals auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems auf einmal nachgewiesen wurde.
Der als VHS 1256 b katalogisierte Planet ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und umkreist in einem Zeitraum von 10.000 Jahren nicht nur einen, sondern zwei Sterne. “VHS 1256 b ist etwa viermal weiter von seinen Sternen entfernt als Pluto von unserer Sonne, was ihn zu einem großartigen Ziel für Webb macht”, sagte Miles. “Das bedeutet, dass sich das Licht des Planeten nicht mit dem Licht seiner Sterne vermischt.” Weiter oben in seiner Atmosphäre, wo die Silikatwolken aufgewirbelt werden, erreichen die Temperaturen glühende 830 Grad Celsius (1.500 Grad Fahrenheit).
Innerhalb dieser Wolken entdeckte Webb sowohl größere als auch kleinere Silikatstaubkörner, die in einem Spektrum dargestellt sind. “Die feineren Silikatkörner in seiner Atmosphäre könnten eher wie winzige Rauchpartikel aussehen”, erklärte Co-Autorin Beth Biller von der University of Edinburgh in Schottland. “Die größeren Körner könnten eher wie sehr heiße, sehr kleine Sandpartikel sein.
VHS 1256 b hat im Vergleich zu massereicheren Braunen Zwergen eine geringe Schwerkraft, was bedeutet, dass seine Silikatwolken in seiner Atmosphäre auftauchen und dort verbleiben können, wo Webb sie entdecken kann. Ein weiterer Grund für die Turbulenz des Himmels ist das Alter des Planeten. Für astronomische Verhältnisse ist er recht jung. Seit seiner Entstehung sind erst 150 Millionen Jahre vergangen – und er wird sich über Milliarden von Jahren weiter verändern und abkühlen.
In vielerlei Hinsicht betrachtet das Team diese Ergebnisse als die ersten “Münzen”, die aus einem Spektrum gezogen wurden, das die Forscher als eine Schatztruhe von Daten betrachten. Zu einem großen Teil haben sie erst begonnen, den Inhalt zu identifizieren. “Wir haben Silikate identifiziert, aber um besser zu verstehen, welche Korngrößen und Formen zu bestimmten Wolkentypen passen, ist noch viel zusätzliche Arbeit nötig”, so Miles. “Dies ist nicht das letzte Wort über diesen Planeten – es ist der Beginn einer groß angelegten Modellierungsarbeit, um die komplexen Daten von Webb zu erfassen.”
Obwohl alle Eigenschaften, die das Team beobachtet hat, bereits von anderen Teleskopen auf anderen Planeten in der Milchstraße entdeckt wurden, haben andere Forschungsteams in der Regel immer nur einen einzigen identifiziert. “Kein anderes Teleskop hat so viele Merkmale auf einmal für ein einziges Ziel identifiziert”, sagte Mitautor Andrew Skemer von der University of California, Santa Cruz. “Wir sehen eine Menge Moleküle in einem einzigen Spektrum von Webb, die die dynamischen Wolken- und Wettersysteme des Planeten detailliert darstellen.”
Das Team kam zu diesen Ergebnissen, indem es Daten analysierte, die als Spektren bekannt sind und von zwei Instrumenten an Bord von Webb gesammelt wurden, dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) und dem Mittelinfrarot-Instrument (MIRI). Da der Planet in einer so großen Entfernung von seinen Sternen kreist, konnten die Forscher ihn direkt beobachten, anstatt diese Daten mit der Transit-Technik (wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht) oder einem Koronagraphen (einer Maske, die das Licht des Sterns abschirmt) zu erfassen.
In den kommenden Monaten und Jahren wird es noch viel mehr über VHS 1256 b zu erfahren geben, wenn dieses Team – und andere – die hochauflösenden Infrarotdaten von Webb weiter durchforsten. “Für einen sehr bescheidenen Aufwand an Teleskopzeit gibt es einen enormen Ertrag”, fügte Biller hinzu. “Mit nur wenigen Stunden Beobachtungszeit haben wir ein gefühlt unendliches Potenzial für zusätzliche Entdeckungen.”
Was könnte aus diesem Planeten in Milliarden von Jahren werden? Da er so weit von seinen Sternen entfernt ist, wird er im Laufe der Zeit kälter werden, und sein Himmel könnte sich von wolkig zu klar verändern.
Die Forscher beobachteten VHS 1256 b im Rahmen des Early Release Science-Programms von Webb, das dazu beitragen soll, die Fähigkeit der astronomischen Gemeinschaft zur Charakterisierung von Planeten und den Scheiben, in denen sie entstehen, zu verbessern.
Die Arbeit des Teams mit dem Titel “The JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems II: A 1 to 20 Micron Spectrum of the Planetary-Mass Companion VHS 1256-1257 b” wird am 22. März in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit bedeutendste Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, zu fernen Welten um andere Sterne blicken und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der kanadischen Weltraumorganisation.
Das Spektrum von VHS 1256 b, beobachtet mit den JWST-Instrumenten.
Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Wissenschaft: Brittany Miles (Universität von Arizona), Sasha Hinkley (Universität von Exeter), Beth Biller (Universität von Edinburgh), Andrew Skemer (UC Santa Cruz)
Beobachtung des Spektrums von VSH 1256 b
Das Forscherteam unter der Leitung von Brittany Miles von der Universität von Arizona verwendete zwei als Spektrographen bekannte Instrumente an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops, eines mit dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) und ein weiteres mit dem Mittelinfrarot-Instrument (MIRI), um einen großen Bereich des vom Planeten VHS 1256 b ausgesandten Lichts im nahen bis mittleren Infrarot zu beobachten.
Aufgrund von Beobachtungen vieler anderer Exoplaneten mit verschiedenen Teleskopen wissen die Forscher, dass sie in bestimmten Bereichen des Spektrums nach Signaturen von Wolken suchen müssen. Signaturen von Silikaten erscheinen vor und nach 10 Mikrometern, einer bestimmten Wellenlänge des Infrarotlichts.
Wahrscheinlich gibt es eine Schicht aus sehr kleinkörnigen Silikatwolken weiter oben in der Atmosphäre. Diese Silikate sind feiner, ähneln eher Rauchpartikeln und sind für die Entstehung des Plateaus bei 10 Mikrometern verantwortlich. Etwas größere Kornwolken befinden sich wahrscheinlich etwas tiefer. Einige Partikel in diesen Wolken können die Größe von kleinen Sandkörnern haben.
Die Kombination aus Schwankungen in der Helligkeit des Planeten im Laufe der Zeit und den verschiedenen Wolkenschichten im Spektrum deutet auf turbulentes Wetter auf VHS 1256 b hin. “Diese Entdeckungen zeigen, dass sich die Wolkenmuster des Planeten ziemlich schnell ändern”, erklärt Beth Biller von der Universität Edinburgh in Schottland. Wenn die Forscher mehr und längere Beobachtungen des Planeten machen würden, würden sie sehen, dass sich die Form des Spektrums verschiebt, wenn sich die Orte der Wolken bewegen, was zeigt, dass sich die Wolken während der 22-stündigen Umlaufzeit schnell durch die Atmosphäre des Planeten bewegen.
Aber diese Wolken sind nicht wie Wolken hoch in der Erdatmosphäre. Diese Wolken sind heiß – vergleichbar mit der Temperatur einer Kerzenflamme. Die obere Atmosphäre der Erde ist dünn und würde sich extrem kalt anfühlen.
Die Forscher konnten mit Webb auch Wasser, Methan und Kohlenmonoxid außerordentlich deutlich nachweisen und fanden Hinweise auf Kohlendioxid. Es ist jedoch noch zu früh, um zu sagen, was diese Kombination von Molekülen bedeuten könnte, da die Daten erst vollständig modelliert werden müssen. “Die hochauflösenden Daten von Webb stellen unsere bestehenden Modelle auf die Probe”, sagt Polychronis Patapis von der ETH Zürich in der Schweiz. “Bestehende Modelle können ein oder zwei Merkmale aufnehmen, aber nicht so viele, wie Webb uns von diesem Ziel gezeigt hat.” Dies ist ein außerordentlich spannender Moment für die Forscher, denn es bedeutet, dass sie bei der Anpassung der Modelle an diese Daten noch unglaublich viel lernen können.
Die Webb-Beobachtungen von VHS 1256 b unterstreichen viele seiner technischen Stärken. Die Instrumente des Teleskops erfassen nicht nur einen breiten Bereich des nahen und mittleren Infrarots, sondern durch seine Position im Weltraum kann das Teleskop auch mehr Infrarotlicht beobachten, als auf der Erde verfügbar ist – und es erfasst die Details in hoher Auflösung. (Die Erdatmosphäre filtert einen Teil des nahen und den gesamten mittleren Infrarotbereich heraus). “Webb hat den Wellenlängenbereich, den wir erfassen können, praktisch verdoppelt”, sagt Brittany Miles von der University of Arizona, die Hauptautorin der Studie. “Obendrein haben wir nur sieben Stunden gebraucht, um das Spektrum zu erfassen, das praktisch vor Details strotzt.
VHS 1256 b ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und befindet sich im Sternbild Corvus. Er umkreist nicht nur einen, sondern zwei Sterne, die sich eng umkreisen. Der Planet liegt etwa viermal weiter von seinen Sternen entfernt als Pluto von unserer Sonne. Obwohl ein einziger Tag auf diesem Planeten 22 Stunden dauert, benötigt er 10.000 Jahre, um eine einzige Umlaufbahn oder ein Jahr zu absolvieren.
MIRI wurde von der ESA und der NASA beigesteuert, wobei das Instrument von einem Konsortium aus national finanzierten europäischen Instituten (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.
NIRSpec wurde für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) von einem Konsortium europäischer Unternehmen unter der Leitung von Airbus Defence and Space (ADS) gebaut, wobei das Goddard Space Flight Center der NASA die Teilsysteme für den Detektor und den Micro-Shutter lieferte.
