Eine flammende Kugel am Rande eines schwarzen Hintergrunds mit einer rot/braunen Kugel im Gegensatz dazu (Bildnachweis: T. Müller (MPIA/HdA))
Das James Webb Space Telescope (JWST) hat einen Wetterbericht für einen fernen Planeten erstellt.
Das leistungsstarke Weltraumteleskop prognostiziert extreme Windgeschwindigkeiten, glühend heiße Temperaturen und Gesteinswolken für die Welt mit dem Namen Wasp-43b. Damit zeigt der extrasolare Planet oder „Exoplanet“, wie seltsam fremde Planeten außerhalb des Sonnensystems sein können.
WASP-43b umkreist einen Stern, der etwa 283 Lichtjahre von der Erde entfernt ist; er befindet sich sogar so nahe an seinem Stern, dass er eine Umlaufbahn in nur etwa 19 Erdstunden zurücklegt. Diese Nähe, die nur etwa 2,1 Millionen Kilometern entspricht, bedeutet, dass der Planet mit einer Masse, die etwa 1,8 Mal so groß ist wie die des Jupiters, und einer Breite, die 0,9 Mal so groß ist wie die des Gasriesen, an seinen Stern WASP-43 gebunden ist.
Die eine Seite von WASP-43b – seine Tagseite – ist ständig dem Stern zugewandt und wird ständig von Strahlung bombardiert, was die Temperaturen des Planeten auf etwa 1.250 Grad Celsius (2.300 Grad Fahrenheit) ansteigen lässt. Das ist heiß genug, um Blei zu schmelzen. Die andere Seite des Planeten – seine Nachtseite – ist ständig dem Weltraum zugewandt, so dass die Temperaturen auf relativ kühle 1.110 Grad Fahrenheit (600 Grad Celsius) fallen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird WASP-43b als „heißer Jupiter“-Planet eingestuft.
Das JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS) Team war in der Lage, das Mid-Infrared Instrument (MIRI) des Teleskops zu nutzen, um das Klima von WASP-43b und die Art des Wetters auf seiner Tag- und Nachtseite zu klassifizieren.
„Mit der neuen Beobachtungsleistung von JWST wurde WASP-43b in noch nie dagewesener Detailtreue enthüllt“, sagte Teammitglied Laura Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), in einer Erklärung. „Wir sehen eine komplexe, unwirtliche Welt mit heftigen Winden, massiven Temperaturschwankungen und lückenhaften Wolken, die wahrscheinlich aus Gesteinströpfchen bestehen.
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„WASP-43b ist eine Erinnerung an die große Bandbreite des Klimas, das auf Exoplaneten möglich ist, und an die vielen Besonderheiten der Erde.“
Eine Animation der Temperaturverteilung von WASP-43b, die sich während der Umkreisung seines Wirtssterns verändert. (Bildnachweis: T. Müller (MPIA/HdA) / Taylor J. Bell (BAERI/NASA))
WASP-43b wurde 2011 entdeckt, weil die Wissenschaftler einen Einbruch im Licht von WASP-43 beobachteten. Dieser Einbruch trat auf, als der Planet aus unserer Perspektive zwischen der Oberfläche seines Sterns und der Erde hindurchzog. Während des Transits sahen die Wissenschaftler auch, dass das Infrarotlicht, das der Planet als Reaktion auf das Sternenlicht aussendet, variierte.
Das Hauptergebnis der JWST-Untersuchung von WASP-43b ist dieser Variation des Infrarotlichts zu verdanken, die zwischen der Tag- und der Nachtseite des Exoplaneten beobachtet wurde, als er seinen Stern umkreiste. Die Schwankungen halfen den Wissenschaftlern insbesondere bei der Erstellung einer Karte, die zeigt, wie die Temperaturen über den gesamten heißen Jupiter verteilt sind.
Schließlich stellte das Team fest, dass die Temperaturunterschiede zwischen Tag- und Nachtseite von WASP-43b zu groß sind, um in einer wolkenlosen Atmosphäre beobachtet werden zu können. Mögliche Wolken über der Oberfläche von WASP-43b sind jedoch wahrscheinlich nicht wasserbasiert, wie die, die die Erde einhüllen. Es wären nicht einmal Ammoniakwolken, wie wir sie um den Jupiter sehen. WASP-43b ist einfach zu heiß für beides. Vielmehr könnten die Wolken dieser Welt aus Gestein bestehen.
Verdampftes Material, wie z. B. Gestein, wird von starken Winden, die Geschwindigkeiten von 9.000 Kilometern pro Stunde erreichen, von der Tagseite zur Nachtseite von WASP-43b getragen. Das ist dreieinhalb Mal so schnell wie die Höchstgeschwindigkeit eines Düsenjägers hier auf der Erde. Auf der Nachtseite des Planeten angekommen, kühlt dieses Material ab und kondensiert. Das bedeutet, dass die dicke Wolkendecke auf der Nachtseite von WASP-43b wahrscheinlich aus Tröpfchen flüssigen Gesteins besteht, die auf der Tagseite des Planeten verdampft waren. Zu diesem Zweck fanden die Forscher heraus, dass die Tagseite von WASP-43b wolkenlos zu sein scheint.
Ein Diagramm, das zeigt, wie ein Stern die Tagseite eines gezeitenabhängigen Planeten wie WASP-43b aufheizt. (Bildnachweis: ESA)
Um die Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-43b zu bestimmen, teilte das Team das beobachtete Infrarotlicht in einzelne Wellenlängen auf und erstellte so ein so genanntes „Spektrum“. Da Chemikalien und Elemente Licht bei charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren, hinterlassen sie in solchen Spektren „Fingerabdrücke“.
„Mit Hubble konnten wir deutlich sehen, dass es auf der Tagseite Wasserdampf gibt. Sowohl Hubble als auch Spitzer deuteten darauf hin, dass es auf der Nachtseite Wolken geben könnte“, so Taylor Bell, Teamleiter und Wissenschaftler am Ames Research Center der NASA, in der Erklärung. „Aber wir brauchten präzisere Messungen von JWST, um die Temperatur, die Wolkenbedeckung, die Winde und die detailliertere atmosphärische Zusammensetzung rund um den Planeten wirklich zu kartieren.“
Die JWST-Untersuchung ergab nicht nur, dass überall auf WASP-43b Wasserdampf zu finden ist, sowohl auf der heißen als auch auf der kühleren Seite, sondern sie ermöglichte es den Wissenschaftlern auch, einen Mangel an Methan in der Atmosphäre des Planeten festzustellen. Normalerweise geht man davon aus, dass heiße Jupiter auf ihrer Nachtseite durch Reaktionen zwischen Wasserstoff und Kohlenmonoxid Wasser und Methan produzieren.
Das Team vermutet, dass WASP-43b kein Methan enthält, weil die rasenden Winde diese reagierenden Moleküle zu schnell durch die Nachtseite des Planeten treiben, als dass die Moleküle mit irgendetwas reagieren und Methan in nachweisbaren Mengen bilden könnten. Jede kleine Menge Methan, die entsteht, würde sich wahrscheinlich mit anderen Gasen vermischen und schnell auf die Tagseite des Planeten getragen werden, wo es durch die starke Hitze zerstört wird.
Das JWST ist mit WASP-43b noch nicht fertig. Ein separates Team führt derzeit mit dem Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des 10-Milliarden-Dollar-Teleskops eine weitere Untersuchung des Planeten durch.
Dadurch soll nicht nur die MIRI-Temperaturkarte verbessert werden, sondern diese Beobachtungen sollen auch zu Messungen von gasförmigem Kohlenmonoxid in der Atmosphäre von WASP-43b führen, die ein besseres Gesamtbild der chemischen Zusammensetzung dieser extremen Welt ergeben.
Die Ergebnisse von WASP-43b wurden am 30. April in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
