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Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen einen neuen „Super-Jupiter“-Planeten erforscht, der zu den kältesten Welten gehört, die je außerhalb des Sonnensystems gesehen wurden.

Der extrasolare Planet oder „Exoplanet“ befindet sich im Dreifachsternsystem Epsilon Indi, das etwa 12 Lichtjahre entfernt ist. Der Planet trägt die Bezeichnung Eps Ind Ab und hat etwa die sechsfache Masse des Jupiters; er umkreist seinen roten Zwergstern in einem Abstand, der dem zwischen Neptun und Sonne ähnelt. Dies führt zu einer Oberflächentemperatur von etwa 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius) und bedeutet, dass eine Umrundung des Planeten etwa 200 Erdjahre dauert.

Das JWST war in der Lage, den Exoplaneten mit den empfindlichen Infrarotfähigkeiten des Mid-Infrared Instrument (MIRI) abzubilden. Die Untersuchung von Eps Ind Ab könnte den Astronomen helfen, die Entwicklung von Gasriesenplaneten und ihren Systemen besser zu verstehen.

Es ist das erste Mal, dass das leistungsstarke Weltraumteleskop einen Exoplaneten abbilden konnte, der zuvor noch nicht vom Boden aus abgebildet wurde. Eps Ind Ab ist auch der kälteste Exoplanet, den das JWST bisher untersuchen konnte.

„Wir waren begeistert, als wir feststellten, dass wir diesen neuen Planeten abgebildet hatten“, sagte Elisabeth Matthews, Forscherin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und Hauptautorin einer Studie über den Fund, in einer Erklärung. „Zu unserer Überraschung entsprach der helle Fleck, der auf unseren MIRI-Bildern erschien, nicht der Position, die wir für den Planeten erwartet hatten.“

Matthews fügte hinzu, dass frühere Studien zwar korrekt einen Planeten in diesem System identifiziert hatten, aber die Masse und den Bahnabstand dieses Super-Jupiter-Gasriesen unterschätzt hatten. Das Team konnte dies mit Hilfe des JWST korrigieren.

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Die Besatzung stellte fest, dass der Planet eine stark elliptische oder „abgeflachte“ Umlaufbahn hat, die ihn an seinem engsten Punkt in eine Entfernung bringt, die etwa 20 Mal so groß ist wie die Entfernung zwischen der Erde und der Sonne. Am weitesten Punkt seiner Umlaufbahn ist Eps Ind Ab 50 Mal weiter von seinem Mutterstern entfernt als die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Der Mutterstern der Welt, ein roter Zwerg namens Eps Ind A, hat zwei stellare Begleiter. Beide sind braune Zwerge oder „gescheiterte Sterne“, die so genannt werden, weil sie sich wie Sterne bilden, aber nicht genug Masse ansammeln können, um die Kernfusionsprozesse in ihrem Kern auszulösen, die einen „Hauptreihenstern“ ausmachen.

Kalte Planeten; heißes Thema

Bislang konnten Wissenschaftler nur einige wenige kalte Planeten mit weiten Umlaufbahnen außerhalb des Sonnensystems nachweisen. Und selbst diese wurden indirekt entdeckt, und zwar durch eine Technik zur Entdeckung von Exoplaneten, die als „Radialgeschwindigkeitsmethode“ bezeichnet wird und bei der das „Taumeln“ gemessen wird, das ein umkreisender Planet in der Bewegung seines Muttersterns verursacht.

Planeten wie dieser sind mit anderen Methoden nur schwer zu entdecken. Kalte Planeten sind weit von ihren Sternen entfernt, und es ist unwahrscheinlich, dass ihre Umlaufbahnen dazu führen, dass Planeten die Oberfläche ihres Sterns (von unserer Position im Sonnensystem aus gesehen) kreuzen oder „durchqueren“. Solche Transite sind in der Regel wichtig für die Entdeckung von Exoplaneten, weil sie das Licht des Sterns in Richtung der Detektoren in unserer Nähe beeinflussen. Genauer gesagt, scheint das Licht eines Sterns während eines Transits „abzufallen“.

Das bedeutet, dass die Transitmethode zur Entdeckung von Exoplaneten für diese Planeten größtenteils nicht in Frage kommt, aber auch die Radialgeschwindigkeitsmethode ist unzuverlässig, da nur eine kleine Anzahl von weiten Umlaufbahnen einen nachweisbaren „Zug“ auf einen Stern erzeugt.

Die Radialgeschwindigkeitsmethode wurde zur Untersuchung von Eps Ind Ab verwendet, aber da nur ein kleiner Teil seiner Umlaufbahn untersucht werden konnte, führte dies zu der falschen Schlussfolgerung, dass der Super-Jupiter nur 43 Erdjahre für einen Umlauf um seinen Stern benötigte. Um mit dieser Methode ein genaueres Bild von der Umlaufbahn dieses Planeten zu erhalten, wären jahrelange Beobachtungen erforderlich.

Ein Bild, das die Beobachtungen mit JWST und seinem MIRI-Instrument zusammenfasst, die zur Wiederentdeckung von Eps Ind Ab führten (Bildnachweis: T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA))

Im Bewusstsein dieser Schwierigkeiten beschlossen Matthews und seine Kollegen, einen anderen Ansatz zu wählen und zu versuchen, Eps Ind Ab direkt abzubilden.

Die direkte Abbildung eines Exoplaneten ist ein schwieriges Unterfangen. Die nächstgelegenen Exoplaneten sind nicht nur viele Lichtjahre entfernt, sondern die meisten Astronomie-Kameras werden auch durch das helle Licht der Sterne geblendet, wenn sie versuchen, umkreisende Planeten zu betrachten.

Daher nutzte das Team den „Koronagraphen“ von MIRI, einen das Sternenlicht blockierenden Schild, der im Grunde eine Sonnenfinsternis simuliert. MIRI war auch deshalb das ideale Instrument für diese Untersuchung, weil es den Kosmos im thermischen oder mittleren Infrarotlicht „sieht“. Dies ist die Art von Licht, die von kalten Objekten hell abgestrahlt wird.

Die Forscher profitierten von der Tatsache, dass Eps Ind Ab mit einer Entfernung von nur 12 Lichtjahren relativ nahe an der Erde liegt. Die geringere Entfernung zwischen dem JWST und diesem Ziel-Exoplaneten bedeutete, dass der Abstand zwischen Eps Ind Ab und seinem Stern größer erschien. Dieser scheinbar größere Abstand bedeutet, dass es eine bessere Chance gibt, die Blendwirkung des Sternenlichts abzuschwächen.

„Wir entdeckten in unseren Daten ein Signal, das nicht mit dem erwarteten Exoplaneten übereinstimmte“, sagte Matthews und wies darauf hin, dass Eps Ind Ab auf dem MIRI-Bild als Lichtpunkt erschien, der sich nicht an der vorhergesagten Stelle befand. „Aber der Planet schien immer noch ein Riesenplanet zu sein.“

Um dies zu bestätigen, musste das Team noch sicherstellen, dass das, was sie sahen, nicht das Ergebnis von Hintergrundlicht war, das von einem weiter entfernten Stern kam. Dank erneuter Untersuchungen der gleichen Region mit dem Very Large Telescope (VLT) fanden die Wissenschaftler ein schwaches Objekt. Dieses Objekt befand sich zufällig an der richtigen Stelle, falls das Signal tatsächlich von dem Stern Eps Ind A stammte.

Eine Visualisierung von Eps Ind Ab, einem Gasplaneten, der 12 Lichtjahre von der Erde entfernt ist (Bildnachweis: NASA)

Matthews und Kollegen versuchten auch, die Atmosphäre von Eps Ind Ab mithilfe der MIRI-Daten zu verstehen. Dabei stellte sich heraus, dass der Super-Jupiter voller schwerer Elemente zu sein scheint, insbesondere Kohlenstoff, der Moleküle wie Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bildet, die üblicherweise in Gasriesenplaneten zu finden sind.

Eine alternative Erklärung dafür ist, dass die Atmosphäre des Planeten bewölkt ist. All dies bedeutet, dass mehr Forschung notwendig ist, um Eps Ind Ab besser zu verstehen.

Das Team beabsichtigt nun, Lichtspektren von Eps Ind Ab zu erhalten, die einen detaillierten „Fingerabdruck“ der chemischen Zusammensetzung und des allgemeinen Klimas des Super-Jupiters liefern könnten.

„Langfristig hoffen wir, auch andere nahegelegene Planetensysteme beobachten zu können, um nach kalten Gasriesen zu suchen, die bisher vielleicht unentdeckt geblieben sind“, schloss Matthews. „Eine solche Untersuchung würde die Grundlage für ein besseres Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Gasplaneten bilden.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (24. Juli) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.