Eine Illustration zeigt einen neptunähnlichen Exoplaneten um seinen Stern (Bildnachweis: NASA/ESA/Leah Hustak, Ralf Crawford, Space Telescope Science Institute)
Wie sieht die Wettervorhersage für die häufigsten Planeten in der Milchstraße aus? Bewölkt oder klar?
Neue Forschungen wollen herausfinden, ob die sogenannten „Mini-Neptune“ – die kleiner als der gleichnamige Eisriese des Sonnensystems, aber größer als die Erde sind – eine undurchsichtige Atmosphäre mit dicken Wolken oder eine dunstige, durchscheinende Atmosphäre haben.
Obwohl sie häufiger vorkommen als jeder andere Planet in unserer Galaxie, gibt es im Sonnensystem keinen Mini-Neptun. Um diese Welten zu erforschen, müssen Wissenschaftler mit Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) über unseren planetarischen Hinterhof hinaus blicken und sie auf sogenannte extrasolare Planeten oder „Exoplaneten“ richten.
Jonathan Brande, Wissenschaftler am ExoLab der University of Kansas, untersuchte die Atmosphären von 15 neptunähnlichen Welten, um ihre Zusammensetzung besser zu verstehen und nach Hinweisen darauf zu suchen, warum es in unserem Sonnensystem möglicherweise keinen solchen Planeten gibt.
„Wir wollen das Verhalten dieser Planeten verstehen, da Planeten, die etwas größer als die Erde und kleiner als Neptun sind, in der Galaxie am häufigsten vorkommen“, so Brande in einer Erklärung. „Das Ziel ist es, die physikalischen Erklärungen hinter den unterschiedlichen Erscheinungsbildern dieser Planeten zu erforschen.“
Durch Mini-Neptunes hindurchsehen
Brande stützte sich bei seinen Untersuchungen auf eine Technik namens Transmissionsspektroskopie.
„Wenn ein Planet transitiert, d. h. sich zwischen unserer Sichtlinie und dem Stern, den er umkreist, bewegt, durchdringt das Licht des Sterns die Atmosphäre des Planeten und wird von den verschiedenen vorhandenen Gasen absorbiert“, erklärte Brande. „Indem wir ein Spektrum des Sterns einfangen – indem wir das Licht durch ein Instrument namens Spektrograf leiten, ähnlich wie durch ein Prisma – beobachten wir einen Regenbogen, indem wir die Helligkeit der verschiedenen Farbkomponenten messen.
Da verschiedene chemische Elemente und Verbindungen Licht bei charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren, können helle oder dunkle Bereiche in diesem atmosphärischen Spektrum die Gase aufzeigen, aus denen die Atmosphäre besteht. Tatsächlich hatte Brande diese Methode bereits im Jahr 2022 mit großem Erfolg eingesetzt, um Wasserdampf in der Atmosphäre des Superneptunplaneten TOI-674 b nachzuweisen.
Illustration von TOI-674 b, einem Superneptun mit Wasserdampf in seiner Atmosphäre (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Brande und seine Kollegen haben bei ihren neuen Forschungen besonderes Augenmerk auf die Regionen von Exoplaneten gelegt, in denen atmosphärische Aerosole vorhanden sind und in denen sich daher Wolken und Dunstschleier bilden können, die das Licht beim Durchdringen der Atmosphäre blockieren.
„Wenn ein Planet eine Wolke direkt über der Oberfläche hat, über der sich Hunderte von Kilometern klare Luft befindet, kann das Sternenlicht leicht durch die klare Luft dringen und wird nur von den spezifischen Gasen in diesem Teil der Atmosphäre absorbiert“, sagte Brande. „Wenn die Wolke jedoch sehr hoch liegt, sind Wolken im Allgemeinen für das gesamte elektromagnetische Spektrum undurchsichtig. Zwar weisen Dunstschleier spektrale Merkmale auf, aber für unsere Arbeit, bei der wir uns mit Hubble auf einen relativ engen Bereich konzentrieren, erzeugen sie auch meist flache Spektren.“
Wenn in der Atmosphäre eines Planeten viele Aerosole vorhanden sind, bedeutet dies, dass das Licht keinen freien Weg durch die Atmosphäre hat. Und da Hubble empfindlich auf Wasserdampf reagiert, ist die Entdeckung von Wasserdampf in der Atmosphäre eines Planeten mit diesem Weltraumteleskop ein guter Hinweis darauf, dass es keine Wolken gibt, die hoch genug sind, um die Lichtabsorption zu blockieren.
„Umgekehrt, wenn kein Wasserdampf beobachtet wird und nur ein flaches Spektrum zu sehen ist, obwohl man weiß, dass der Planet eine ausgedehnte Atmosphäre haben sollte, deutet dies auf das wahrscheinliche Vorhandensein von Wolken oder Dunst in größeren Höhen hin“, so Brande.
Eine Illustration der Mini-Neptune, die einem größeren Planeten überlegen sind (Bildnachweis: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)
Die für die Mini-Neptunes durchgeführte Analyse unterschied sich von früheren Studien, denn anstatt die Daten an ein Modell anzupassen, das für jeden Exoplaneten gilt, entwickelte das Team ein spezielles Modell zur Bestimmung der Atmosphären kleiner, gewöhnlicher Welten.
„Normalerweise nehmen Forscher ein Atmosphärenmodell mit vorberechnetem Wassergehalt, skalieren und verschieben es, um es an die beobachteten Planeten in ihrer Probe anzupassen“, so Brande. „Dieser Ansatz zeigt an, ob das Spektrum klar oder bewölkt ist, liefert aber keine Informationen über die Menge an Wasserdampf oder die Lage der Wolken in der Atmosphäre.“
Diese Methode zur Ermittlung der Atmosphäre ermöglichte es dem Team, Parameter wie die Wasserdampfmenge und die Lage der Wolken in ihre Modelle einzubeziehen und dann Hunderte und Tausende von Simulationen durchzuarbeiten, um die am besten passende Konfiguration zu finden.
„Unsere Ergebnisse lieferten uns ein bestmögliches Modellspektrum für jeden Planeten, aus dem wir errechneten, wie bewölkt oder klar der Planet zu sein schien“, sagte Brande. „Bei der Untersuchung des Verhaltens von Wolken und Dunst zeigten unsere Modelle, dass Wolken besser passen als Dunst.“
Brande und seine Kollegen waren sogar in der Lage, den Zustand der Wolken zu bestimmen, weil sich in den Atmosphären von Mini-Neptunen so effizient Sedimentation abspielt
„Der Parameter der Sedimentationseffizienz, der die Kompaktheit der Wolken widerspiegelt, deutet darauf hin, dass die beobachteten Planeten eine relativ niedrige Sedimentationseffizienz haben, was zu flauschigen Wolken führt“, schloss Brande. „Diese Wolken bestehen aus Partikeln wie Wassertröpfchen, die aufgrund ihrer geringen Absetzneigung in der Atmosphäre schweben bleiben.“
Die Forschungsergebnisse wurden im Januar in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
