Eine Abbildung des isolierten, massereichen Objekts SIMP 0136 (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI))
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen einen Blick in die Atmosphäre eines kosmischen Körpers geworfen, bei dem es sich um einen abtrünnigen Planeten oder einen „gescheiterten Stern“ handeln könnte. In jedem Fall wandert die Welt ohne Eltern durch den Kosmos.
Das kosmische Waisenkind oder „freischwebende Objekt von planetarischer Masse“ mit der Bezeichnung SIMP 0136 driftet etwa 20 Lichtjahre von der Erde entfernt durch das Universum – und das ohne stellaren Anker. SIMP 0136 hat eine Masse, die etwa 13-mal so groß ist wie die des Jupiters, ist aber etwa so groß wie der Gasriese im Sonnensystem. Der 2003 entdeckte SIMP 0136 rotiert so schnell, dass ein Tag auf diesem Schurkenplaneten nur etwa 2,4 Erdstunden dauert.
Es besteht die Möglichkeit, dass SIMP 0136 gar kein Planet ist, sondern ein so genannter „Brauner Zwerg“, ein stellarer Körper, der sich wie ein Stern bildet, aber nicht genug Masse ansammelt, um die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium in seinem Kern auszulösen. Die Verwirrung rührt daher, dass diese „gescheiterten Sterne“ eine untere Massengrenze von etwa dem 13-fachen der Masse des Jupiters haben – also genau die Masse von SIMP 0136.
Da SIMP 0136 für ein Objekt mit isolierter Planetenmasse relativ hell ist und sein Licht nicht durch das Licht eines Muttersterns verunreinigt wird, war er ein beliebtes Ziel für Astronomen. Schon bevor das JWST dieses Objekt untersuchte, hatten eine Reihe von bodengestützten Instrumenten sowie die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer das Objekt untersucht. Diese Untersuchungen gaben den Astronomen jedoch einige Rätsel rund um SIMP 0136 auf.
Astronomen hatten zuvor entdeckt, dass SIMP 0136 in seiner Helligkeit schwankt. Es wurde vermutet, dass diese Schwankungen nicht nur auf die Wolken auf der jupitergroßen Welt zurückzuführen sein könnten, sondern auf eine komplexe Kombination atmosphärischer Faktoren.
Mit Hilfe des JWST konnte das Team das Infrarotlicht von SIMP 0136 zwei volle Umdrehungen lang beobachten und dabei Schwankungen in den Wolkenschichten, der Temperatur und sogar der Chemie der Erde feststellen. Viele der Details, die die Wissenschaftler beobachteten, waren zuvor nicht sichtbar.
„Wir wussten bereits, dass die Helligkeit variiert, und wir waren uns sicher, dass es lückenhafte Wolkenschichten gibt, die sich im Laufe der Zeit verändern“, so Allison McCarthy, Leiterin des Studienteams und Forscherin an der Boston University, in einer Erklärung. „Wir dachten auch, dass Temperaturschwankungen, chemische Reaktionen und möglicherweise Auswirkungen der Polarlichtaktivität die Helligkeit beeinflussen könnten, aber wir waren uns nicht sicher.“
Tausende von unsichtbaren Regenbögen
Die Beobachtung von SIMP 0136 mit dem JWST über zwei Umläufe hinweg ermöglichte es dem Team, sowohl den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) als auch das Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) des Teleskops zu nutzen. Dadurch konnten die Forscher Daten in einem breiten Spektrum von Wellenlängen des infraroten Lichts sammeln.
Das Ergebnis waren Hunderte von hochdetaillierten Lichtkurven, die zeigen, wie sich die Helligkeit der einzelnen Wellenlängen des infraroten Lichts während der Rotation von SIMP 0136 veränderte: „Es war unglaublich, die Veränderung des gesamten Spektrums dieses Objekts im Laufe von Minuten zu sehen“, sagte Johanna Vos , die Leiterin des Teams und Forscherin am Trinity College Dublin, in der Erklärung. „Bis jetzt hatten wir nur einen kleinen Ausschnitt des Nahinfrarotspektrums von Hubble und ein paar Helligkeitsmessungen von Spitzer.“
Eine Illustration von SIMP 0136 als gescheiterter Brauner Zwerg mit einem leuchtenden Polarlicht über seinem Nordpol (Bildnachweis: Chuck Carter, Caltech, NRAO/AUI/NSF )
Den Forschern fiel auf, dass das Infrarotlicht von SIMP 0136 eine ausgeprägte Lichtkurve aufwies, bei der einige Wellenlängen heller und andere dunkler wurden, während sich der Rest überhaupt nicht veränderte, was sie zu der Annahme veranlasste, dass es verschiedene Faktoren geben muss, die diese Schwankungen beeinflussen.
„Stellen Sie sich vor, Sie betrachten die Erde aus der Ferne. Wenn Sie jede Farbe einzeln betrachten würden, würden Sie verschiedene Muster sehen, die Ihnen etwas über die Oberfläche und die Atmosphäre der Erde verraten, auch wenn Sie die einzelnen Merkmale nicht erkennen könnten“, sagte Philip Muirhead, Mitglied des Studienteams und Forscher an der Boston University, in der Erklärung. „Blau würde zunehmen, wenn sich die Ozeane ins Blickfeld drehen. Um herauszufinden, was die Ursache für die Lichtvariationen von SIMP 0136 ist, entwickelte das Team atmosphärische Modelle, um festzustellen, welche Regionen der Atmosphäre für welche Wellenlänge des Lichts verantwortlich sind. Verschiedene Wellenlängen liefern Informationen über verschiedene Tiefen in der Atmosphäre“, sagte McCarthy. „Wir stellten fest, dass die Wellenlängen, die die ähnlichsten Lichtkurvenformen aufwiesen, auch die gleichen Tiefen erkundeten, was die Idee verstärkte, dass sie durch denselben Mechanismus verursacht werden müssen.“
SIMP 0136, gesehen von der astronomischen Durchmusterung Legacy. (Bildnachweis: Legacy Surveys / D.Lang (Perimeter Institute) & Meli thev)
Ein Band infraroter Wellenlängen stammt aus den Tiefen der Atmosphäre von SIMP 0136, wo das Team lückenhafte Wolken aus Eisenpartikeln vermutet. Eine andere Wellenlängengruppe stammt vermutlich aus höheren Bereichen der Atmosphäre und aus lückenhaften Wolken von Silikaten.
Die letzte Gruppe von Wellenlängen soll von hoch über diesen Wolken in Abhängigkeit von der Temperatur von SIMP 0136 stammen. Die helleren Bereiche könnten mit den Polarlichtern korrespondieren, die in der Umgebung von SIMP 0136 in den Radiowellen entdeckt wurden, oder sie könnten das Ergebnis von heißem Gas sein, das durch die Atmosphäre von SIMP 0136 aufsteigt.
Es gibt Lichtkurven, die das JWST von SIMP 0136 gesehen hat, die weder durch die Wolken noch durch die Temperatur des Objekts erklärt werden können, und die durch die Kohlenstoffchemie der Atmosphäre von SIMP 0136 beeinflusst werden könnten, da Kohlendioxid- und Kohlenmonoxideinschlüsse in den Sichtbereich des JWST hinein- und hinausrotieren. Eine andere Erklärung könnten chemische Reaktionen sein, die Veränderungen in der Atmosphäre von SIMP 0136 verursachen.
„Wir haben den chemischen Teil des Rätsels noch nicht wirklich gelöst, aber diese Ergebnisse sind wirklich aufregend, weil sie uns zeigen, dass sich die Häufigkeit von Molekülen wie Methan und Kohlendioxid von Ort zu Ort und im Laufe der Zeit ändern kann“, sagte Vos. „Wenn wir einen Exoplaneten betrachten und nur eine Messung erhalten können, müssen wir bedenken, dass diese möglicherweise nicht für den gesamten Planeten repräsentativ ist.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (3. März) in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
