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Eine Illustration von 55 Cancri e.(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI))

Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen entdeckt, dass ein glühend heißer Lavaplanet, von dem man annimmt, dass er aus Diamant besteht, eine zweite Atmosphäre entwickelt hat – und das, nachdem sein Stern seine erste Atmosphäre zerstört hatte.

Der Planet mit der Bezeichnung 55 Cancri e ist etwa 41 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt und hat eine fast doppelt so große Ausdehnung wie die Erde und eine etwa neunmal so große Masse wie unser Planet. Unter den vielen extrasolaren Planeten oder „Exoplaneten“, die Wissenschaftler im Laufe der Jahre katalogisiert haben, wird diese Welt als „Super-Erde“ eingestuft. Das bedeutet, dass er massereicher als die Erde ist, aber viel leichter als Planeten wie Neptun und Uranus. Doch damit enden für 55 Cancri e die Vergleiche mit unserer Welt.

Dieser Exoplanet ist so dicht, dass Astronomen die Hypothese aufstellen, dass er hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, der zu Diamant gepresst wurde. Außerdem ist der Exoplanet nur 2,3 Kilometer von seinem sonnenähnlichen Stern 55 Cancri A entfernt. Das entspricht der 0,01544-fachen Entfernung zwischen der Erde und der Sonne. Diese Nähe bedeutet, dass 55 Cancri e seinen Wirtsstern etwa alle 17 Erdstunden einmal umkreist und eine glühend heiße Oberflächentemperatur von rund 2.400 Grad Celsius aufweist.

Die Strahlung seines Sterns hat 55 Cancri e also seine ursprüngliche oder primäre Atmosphäre genommen, wie dies auch bei anderen Gesteinsplaneten der Fall ist, die ihre Sterne in so großer Nähe umkreisen. Die neuen Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass der Planet von einer dicken Gasschicht umgeben ist, was bedeutet, dass ihm eine zweite Atmosphäre „gewachsen“ ist – und die Wissenschaftler, die hinter dieser Entdeckung stehen, glauben zu wissen, wie dies geschehen ist.

„Wir haben die thermischen Emissionen dieses Gesteinsplaneten gemessen, und die Messungen deuten darauf hin, dass der Planet eine beträchtliche Atmosphäre hat“, sagte Renyu Hu, ein Mitglied des Teams hinter dieser Entdeckung und Forscher am California Institute of Technology (Caltech), gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Atmosphäre wird wahrscheinlich durch Ausgasungen aus dem felsigen Inneren von 55 Cancri e unterstützt, und wir denken, dass dies die erste Messung einer sekundären Atmosphäre auf einem felsigen Exoplaneten ist. Das ist sehr aufregend.“

Wie 55 Cancri e seinem Stern trotzte

55 Cancri e wurde 2004 durch das „Taumeln“ entdeckt, das er in der Bewegung seines Wirtssterns aus unserer Perspektive auf der Erde verursachte. Diese Methode wird als Radialgeschwindigkeitsmethode zur Entdeckung von Exoplaneten bezeichnet. Der ursprünglich Janssen genannte Planet war die erste Supererde, die um einen fernen Hauptreihenstern kreiste, d. h. um einen Stern, der in seinem Kern noch Wasserstoff in Helium umwandelt.

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Bei der weiteren Untersuchung des Planeten erfuhren die Wissenschaftler auch etwas über seine Umlaufzeit von 0,7 Erdtagen und seine Kohlenstoffzusammensetzung. Im Jahr 2016 stellte das Hubble-Weltraumteleskop fest, dass die Atmosphäre von 55 Cancri e Wasserstoff und Helium enthält, was die erste Untersuchung der Atmosphäre eines Exoplaneten war.

Erstens könnte die Supererde eine Lavawelt sein, auf der eine dünne, verdampfte Silikatatmosphäre existiert. Sie würde aus den flüchtigen Bestandteilen des Planeten und chemischen Verbindungen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Schwefel bestehen, die durch die Strahlung des Sterns leicht verloren gehen können. Alternativ könnte der Planet auch eine dicke sekundäre Atmosphäre haben, die im Laufe der Zeit durch Vulkanismus entstanden ist.

Um herauszufinden, welches dieser Szenarien zutrifft, untersuchten Hu und Kollegen JWST-Beobachtungen des Planeten, als dieser hinter dem Stern 55 Cancri A vorbeizog, ein Ereignis, das als sekundäre Finsternis bezeichnet wird. Die Daten von zwei sekundären Verfinsterungen von 55 Cancri e schlossen die Möglichkeit aus, dass es sich um eine praktisch nackte Lavawelt ohne nennenswerte Atmosphäre handelt.

Diese Illustration zeigt ein mögliches Szenario für den heißen, felsigen Exoplaneten mit der Bezeichnung 55 Cancri e, der fast zweimal so groß wie die Erde ist und die 9-fache Masse der Erde hat. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Es besteht kein Zweifel, dass der Planet eine mit Lava überzogene Höllenlandschaft ist, und das Team glaubt sogar, dass diese geschmolzene Natur 55 Cancri e geholfen hat, seine sekundäre Atmosphäre aufzubauen.

„55 Cancri e befindet sich so nahe an seinem Wirtsstern, dass er viel Wärme in Form von Strahlung empfängt. Diese Wärme hält die Temperatur auf dem Planeten sehr hoch“, sagte Hu. „Bei diesen Temperaturen ist alles auf dem Planeten geschmolzen. Wenn es sich um Gestein handelt, ist es geschmolzene Lava, die den Ausgasungsprozess unterstützt, der aufgrund der geschmolzenen Oberfläche eine sekundäre Atmosphäre fördert.“

Er erklärte, dass sich das Gas im globalen Lavaozean von 55 Cancri auflöst und ständig „heraussprudelt“, um die sekundäre Atmosphäre zu bilden.

Der Forscher fügte hinzu, dass die ursprüngliche Atmosphäre von 55 Cancri e, die er seit seiner Entstehung um seinen Stern gehabt haben muss, hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestand. Die Zusammensetzung der sekundären Atmosphäre, die die erste ersetzte, bleibt jedoch ungewiss.

„Die Zusammensetzung der sekundären Atmosphäre hängt davon ab, wie das Gestein darunter beschaffen ist“, so Hu. „Wenn das Gestein sehr reduzierend ist [aus Verbindungen besteht, die Elektronen und Wasserstoff aufnehmen] , kann es auch eine Wasserstoff-Helium-Atmosphäre wie die primäre Atmosphäre bilden. Ist das Gestein jedoch eher wie der Erdmantel aufgebaut, würden Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid die sekundäre Atmosphäre dominieren.“

Hu fügte hinzu, dass die JWST-Beobachtungen von 55 Cancri e zwar keine schlüssige Aussage über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten zulassen, dass aber die Modelle, die zur Erklärung der Messungen herangezogen wurden, auf einen erheblichen Anteil an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid hindeuten.

Kann 55 Cancri e wirklich eine sekundäre Atmosphäre erzeugen?

55 Cancri e ist bei weitem nicht der einzige Gesteinsplanet, der so dicht um seinen Wirtsstern kreist, obwohl Hu darauf hinweist, dass er einer der heißesten seiner Art ist. Bedeutet dies also, dass diese anderen glühend heißen irdischen Welten ebenfalls Sekundäratmosphären entwickelt haben könnten? Nun, das Team ist sich nicht sicher.

Das liegt daran, dass 55 Cancri e etwas ziemlich Einzigartiges ist.

„Mit der 1,8-fachen Größe der Erde ist er ein ziemlich großer Felsbrocken – und das trägt dazu bei, die flüchtigen Stoffe vor der stellaren Strahlung zu bewahren“, erklärt Hu. „Wir gehen davon aus, dass ein sehr kleiner Gesteinsplanet, der sich in einer sehr engen Umlaufbahn um seinen Stern befindet, sein gesamtes Budget an flüchtigen Stoffen verlieren könnte und dann ohne Atmosphäre dasteht.“

Das bedeutet, dass nicht nur der Abstand zwischen einem Planeten und seinem Stern darüber entscheidet, ob ein Planet seine Atmosphäre beibehält und eine weitere „wächst“, sondern auch die Größe dieser Welt. Hu wies darauf hin, dass 55 Cancri e in beiderlei Hinsicht dafür „optimiert“ zu sein scheint, eine verlorene primäre Atmosphäre durch eine sekundäre Atmosphäre zu ersetzen.

Hu sagte, dass die Analyse von 55 Cancri e auf diese Weise ohne die Beobachtungsleistung und Infrarotempfindlichkeit des JWST unmöglich gewesen wäre, was es ideal für die Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten macht.

„Wir denken definitiv über die nächsten Schritte zur Untersuchung von 55 Cancri e nach. Wir haben einige Ideen für die Messung der thermischen Emission des Planeten, nicht nur während sekundärer Verfinsterungen, sondern auch, wenn der Planet den Stern umkreist“, sagte Hu. „Dies wird uns Aufschluss über die Größe der Atmosphäre und die Zirkulation darin geben“, so Hu. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (8. Mai) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.