Entdeckungen von außersolaren Planeten sind in den letzten Jahren explodiert. Tatsächlich haben Astronomen am 1. August 2017 3.639 Exoplaneten in 2.729 Planetensystemen und 612 multiplen Planetensystemen identifiziert. Und während die meisten davon von Kepler entdeckt wurden, der insgesamt 5.017 Kandidaten entdeckt und die Existenz von 2.494 Exoplaneten seit 2009 bestätigt hat, haben auch andere Instrumente eine wichtige Rolle bei diesen Entdeckungen gespielt.
Dazu gehört das Hubble-Weltraumteleskop, das sich in den letzten Jahren der Erfassung von Atmosphären um entfernte Planeten widmet. Zuletzt wurde es in einer Umfrage verwendet, die die bislang stärksten Beweise für die Existenz einer Stratosphäre - einer Schicht der Atmosphäre, in der die Temperatur mit der Höhe steigt - um einen Gasriesen ergab, der sich etwa 900 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt befindet.
Die Studie mit dem Titel „Ein Ultrahot-Gasriesen-Exoplanet mit Stratosphäre“ wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur. Unter der Leitung von Thomas Evans, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter der Astrophysics Group an der University of Exeter, stützte sich das Team auf Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, um einen Planeten namens WASP-121b zu untersuchen, einen Gasriesen, der einen gelb-weißen Stern umkreist ist etwas größer als unsere eigene.
Der Planet selbst hat ungefähr das 1,2-fache der Masse des Jupiter, einen Radius, der etwa das 1,9-fache des Jupiter beträgt, und eine Umlaufzeit von nur 1,3 Tagen. Dies liegt an der Nähe zur Sonne, was es zu einem besonders „heißen Jupiter“ macht. Wenn dieser Exoplanet näher an seinem Stern wäre, würde die Schwerkraft von WASP-121 ihn wahrscheinlich auseinanderreißen.
Es ist auch diese Nähe, die die Atmosphäre des Planeten überhitzt und Temperaturen von bis zu 2.500 ° C (4.600 ° F) verursacht. Mark Marley, Forscher am Ames Research Center der NASA und Mitautor der Studie, gab in einer Pressemitteilung der NASA Folgendes an:
„Dieses Ergebnis ist aufregend, weil es zeigt, dass ein gemeinsames Merkmal der meisten Atmosphären in unserem Sonnensystem - eine warme Stratosphäre - auch in Exoplanetenatmosphären zu finden ist. Wir können jetzt Prozesse in Exoplanetenatmosphären mit denselben Prozessen vergleichen, die unter verschiedenen Bedingungen in unserem eigenen Sonnensystem ablaufen. “
Während Hubble in der Vergangenheit mögliche Anzeichen von Stratosphären um WASP-33b und andere heiße Jupiter gefunden hat, liefert diese neue Studie die bislang stärksten Beweise für die Existenz einer Exoplaneten-Stratosphäre. Der Grund dafür liegt in den spektrografischen Daten, die Hubble von der WASP-121b-Atmosphäre erhalten hat und die auf das Vorhandensein von Wasserdampf hinweisen - was für Hot-Jupiter eine Premiere ist.
Wie Tom Evans - ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Exeter und Hauptautor des Papiers - erklärte, bestätigten diese Ergebnisse etwas, das Astronomen seit einiger Zeit vermuten. "Theoretische Modelle haben vorgeschlagen, dass Stratosphären eine bestimmte Klasse ultraheißer Planeten definieren könnten, mit wichtigen Auswirkungen auf ihre atmosphärische Physik und Chemie", sagte er. "Unsere Beobachtungen stützen dieses Bild."
Um die Stratosphäre von WASP-121b zu untersuchen, stützte sich das Team auf spektroskopische Daten, die von Hubbles Weitfeldkamera 3 gesammelt wurden. Nach der Analyse der verschiedenen Wellenlängen, die Teil der Lichthärtung von WASP-121b waren, stellten sie fest, dass bestimmte Wellenlängen im Infrarotbereich ziemlich hell leuchteten. Dies sei auf das Vorhandensein von Wasserdampf am oberen Rand der Planetenatmosphäre zurückzuführen.
"Die Emission von Licht aus Wasser bedeutet, dass die Temperatur mit der Höhe steigt", sagte Tiffany Kataria, eine der Mitautoren der Studie des Jet Propulsion Laboratory der NASA. "Wir sind gespannt, in welchen Längen dieses Verhalten bei bevorstehenden Hubble-Beobachtungen anhält."
WASP-121b ist nicht nur der bisher überzeugendste Fall eines Exoplaneten mit Stratosphäre, sondern auch interessant, weil dieser heiße Jupiter so heiß ist. Basierend auf ihren Daten gelangte das Team zu dem Schluss, dass die Temperaturen in der Atmosphäre mit der Höhe anstiegen - ein charakteristisches Merkmal einer Stratosphäre. In der Stratosphäre der Erde wird dieser Prozess von Ozon angetrieben, das das ultraviolette Licht der Sonne einfängt und die Temperatur der umgebenden Moleküle erhöht.
Die Temperatur der Stratosphäre der Erde überschreitet jedoch nicht 270 K (-3 ° C). Wenn man andere Sonnenplaneten betrachtet, die ebenfalls Stratosphären haben - wie den Saturnmond Titan, der aufgrund der Wechselwirkung von Sonnenstrahlung, energetischen Partikeln und Methan eine Erwärmung erfährt - ändern sich die Temperaturen nicht um mehr als 56 ° C. Im Fall von WASP-121b steigen die Temperaturen in der Stratosphäre jedoch um etwa 560 ° C (1.000 ° F).
Nicht einmal die Venus, der heißeste Planet im Sonnensystem, kann damit mithalten! Auf dem „Schwesterplaneten“ der Erde bleiben die Temperaturen konstant bei etwa 735 K (462 ° C), was heiß genug ist, um Blei zu schmelzen. Beim WASP-121b sind die Temperaturen jedoch mehr als viermal so hoch! Dies bedeutet, dass die Atmosphäre des Planeten heiß genug ist, um Edelstahl und andere Metalle wie Beryllium, Platin und Zirkonium zu schmelzen.
Derzeit wissen die Wissenschaftler nicht, welche Chemikalien diesen Temperaturanstieg antreiben. Es wurden jedoch einige Möglichkeiten vorgeschlagen, wie beispielsweise Vanadiumoxid und Titanoxid. Es wird nicht nur angenommen, dass diese Verbindungen Braunen Zwergen gemeinsam sind (auch bekannt als „gescheiterte Sterne“, die viel mit Gasriesen gemeinsam haben), sondern sie erfordern auch die heißesten Temperaturen, die möglich sind, um sie in einem gasförmigen Zustand zu halten.
In jedem Fall hat sich dieser entfernte Gasriese als interessante Fallstudie erwiesen. In Zukunft wird die Erforschung dieses und anderer „superheißer Jupiter“ wahrscheinlich unser derzeitiges Verständnis der atmosphärischen Formen und des Verhaltens im Laufe der Zeit in Frage stellen und erweitern.
