Eine Illustration zeigt, wie die Atmosphäre des jupitergroßen Exoplaneten V1298 Tau b abgetragen wird und ihn in eine Welt von der Größe einer Supererde verwandelt (Bildnachweis: NASA/Robert Lea (erstellt mit Canva))
Mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops haben Wissenschaftler entdeckt, dass ein etwa 350 Lichtjahre entfernter, zuckerwatteartiger Planet von der Größe des Jupiters schrumpft und auf dem Weg zu einer Welt von der Größe eines „Sub-Neptun“ oder einer „Super-Erde“ sein könnte.
Der extrasolare Planet oder „Exoplanet“ mit der Bezeichnung V1298 Tau b ist nicht nur einer der leichtesten Planeten, die je entdeckt wurden, sondern auch eine der jüngsten Welten, die je entdeckt wurden, da er die Oberfläche seines Sterns kreuzt oder „durchquert“.
V1298 Tau b umkreist einen etwa 23 Millionen Jahre alten Stern, der im Vergleich zu älteren Sternen wie unserer Sonne, die 4,6 Milliarden Jahre alt ist, ein Kleinkind ist. Er wird in diesem System von mindestens drei weiteren Planeten begleitet, V1298 Tau c, d und e. Das bedeutet, dass dieses System den Astronomen eine einzigartige Gelegenheit bietet, die Atmosphären von frisch entstandenen und sich entwickelnden Planeten zu untersuchen.
Dazu beobachtete das Team V1298 Tau b mit der Hubble Wide Field Camera 3 (WFC3), während er die Oberfläche seines jungen Muttersterns durchquerte, der als T-Tauri-Stern klassifiziert ist, was bedeutet, dass es sich um einen sehr jungen Stern mit einer sonnenähnlichen Masse handelt.
„V1298 Tau b hat die Größe des Jupiters. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Masse dieses Planeten mit der von Neptun vergleichbar oder sogar geringer ist“, so der Leiter des Forschungsteams Saugata Barat von der Universität Amsterdam gegenüber kosmischeweiten.de. „Daher ist es wahrscheinlich, dass er ein Neptun- oder Sub-Neptun-Vorläufer in diesem Alter ist. Abhängig von der Entwicklung dieses Planeten könnte er einen großen Teil seiner ursprünglichen Atmosphäre verlieren und als Sub-Neptun oder möglicherweise sogar als Super-Erde-ähnlicher Planet enden.“
Da Jupiter etwa die 20-fache Masse von Neptun hat, bedeutet die Tatsache, dass V1298 Tau b die Breite des Jupiters mit der Masse des Neptuns hat, dass dieser Exoplanet unglaublich „aufgeblasen“ ist, wie die Astronomen ihn derzeit sehen.
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„V1298 Tau b ist einer der Planeten mit der geringsten Dichte, die wir bisher entdeckt haben. Seine Dichte von 0,1 Gramm pro Kubikzentimeter kann mit Zuckerwatte verglichen werden“, fügte Barat hinzu.
Dekodierung der schrumpfenden Atmosphäre von V1298 Tau b
Das Team untersuchte die Atmosphäre von V1298 Tau b anhand seiner Transits und entdeckte eine große und klare Atmosphäre, die sich über eine Länge von etwa 1.000 Kilometern erstreckt. Dies ist viel breiter als die Atmosphären von Körpern des Sonnensystems wie dem größten Saturnmond Titan, deren Atmosphären sich zwischen 31 Meilen und 62 Meilen (50 bis 100 Kilometer) von ihrem Hauptkörper entfernen.
V1298 Tau b ist nur etwa 16 Millionen Meilen von seinem hochaktiven, heißen, jungen T-Tauri-Mutterstern entfernt, was bedeutet, dass er eine Umlaufbahn in nur 24 Erdtagen zurücklegt. Aufgrund dieser Nähe wird der Planet auch mit hohen Dosen von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung von seinem Stern bombardiert, die seine Atmosphäre aushöhlen.
Außerdem stellte das Team fest, dass das Innere des Planeten sehr heiß ist, obwohl er sich im Laufe seiner Reifung abkühlen dürfte, was ebenfalls zum Verlust der Atmosphäre beiträgt.
„Eine Kombination dieser Prozesse ist wahrscheinlich der Grund für den erheblichen Massenverlust und die Kontraktion dieses Planeten“, so Barat. „Ein Vergleich der Beschaffenheit und Zusammensetzung von V1298 Tau b mit reifen Sub-Neptunen zeigt signifikante Unterschiede auf. Daher ist es möglich, dass sich im Laufe seiner Entwicklung auch die atmosphärische Zusammensetzung und Chemie von V1298 Tau b ändert.“
Eine Illustration der Planeten des Systems V1298 Tau, wie sie ihren jungen Stern umkreisen (Bildnachweis: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC))
V1298 Tau b zeigt den Astronomen, dass Neptune und Sub-Neptune, wenn sie zum ersten Mal in einer Gas- und Staubwolke geboren werden, die einen jungen Stern umgibt und als „protoplanetare Scheibe“ bezeichnet wird, sich in einem Zustand befinden, der nicht dem ähnelt, wie sie im reifen Alter erscheinen. Die Forschungsergebnisse deuten auch darauf hin, dass Planeten der Neptun- und Sub-Neptun-Klasse ihre Position in ihren Planetensystemen verändern können.
„Sie werden mit signifikant großen primordialen Hüllen geboren, die wahrscheinlich während ihrer Entstehung innerhalb einer proto-planetaren Scheibe akkretiert wurden“, sagte Barat. „Durch die Analyse des atmosphärischen Inhalts von V1298 Tau b glauben wir, dass dieser Planet nahe seiner jetzigen Position in der Nähe seines Wirtssterns entstanden sein könnte.“
Eine Illustration vergleicht die Größe von Jupiter, Erde und V1298 Tau b. Obwohl der Exoplanet ähnlich groß wie Jupiter ist, ist er so aufgebläht, dass er von der Masse her näher an unserem Planeten liegt (Bildnachweis: NASA/Robert Lea (erstellt mit Canva))
Da Elemente und chemische Verbindungen Licht in charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren, kann die Analyse des Lichts, das durch die Atmosphäre des Planeten dringt, während er das Antlitz seines Sterns durchquert, mit einem Verfahren namens Spektroskopie seine Zusammensetzung offenbaren.
Für V1298 Tau b hat diese Untersuchung etwas Ungewöhnliches über die Atmosphäre dieses Exoplaneten zutage gefördert. Sie ist erstaunlich arm an „Metallen“, einem Begriff, den Astronomen für Elemente verwenden, die schwerer sind als die beiden leichtesten Elemente des Universums, Wasserstoff und Helium.
„Wir waren überrascht, dass kein Methan nachgewiesen werden konnte. Die Temperatur dieses Planeten ist ideal für die Produktion einer großen Menge an Methan“, so Barat. „Sein Fehlen deutet jedoch auf chemische Prozesse in seiner Atmosphäre hin, wie etwa eine starke vertikale Durchmischung, die das Methan aus der beobachteten Atmosphäre entfernen kann.
Die Wissenschaftler der Universität Amsterdam erklärten weiter, dass Methan nur entfernt werden kann, wenn das Innere eines Planeten sehr heiß ist. Das fehlende Methan in der Atmosphäre von V1298 Tau b veranlasste sie zu der Hypothese, dass die Temperaturen in der Atmosphäre des Planeten mindestens 27 Grad Celsius betragen. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Temperatur der Jupiteratmosphäre beträgt minus 166 Grad Fahrenheit (minus 110 Grad Celcius).
Barat sagte, dass bei den aktuellen Beobachtungen nur Wasserdampf in der Atmosphäre von V1298 Tau b beobachtet wurde. Das bedeutet, dass sie in Zukunft die Häufigkeit anderer Moleküle wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid messen wollen, um ein Inventar der in der Atmosphäre dieses Exoplaneten vorhandenen Chemikalien zu erstellen.
„Es ist wichtig, diese Häufigkeiten genau einzugrenzen, da sie direkt mit dem Entstehungsort dieses Planeten zusammenhängen“, fügte Barat hinzu. „Es ist auch wichtig, den Einfluss des Wirtssterns auf die Chemie der Atmosphäre des Planeten zu untersuchen.“
Barat und Kollegen haben mit dem James Webb Space Telescope (JWST) Beobachtungen von V1298 Tau b erhalten, die sie derzeit analysieren.
„Das JWST ist empfindlich für eine breite Palette von Molekülen wie Wasser, Methan, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid. Wir werden also bald in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten“, schloss Barat.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 9. Mai in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
