Exoplanet: 3D-Beobachtungen der Atmosphäre enthüllen einzigartiges Klima

Spannende Geschichte: Astronominnen und Astronomen haben erstmal durch die Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems geblickt und seine 3D-Struktur kartiert. Durch die Kombination aller vier Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) fanden sie starke Winde, die chemische Elemente wie Eisen und Titan transportieren und komplexe Wettermuster in der Atmosphäre des Planeten erzeugen. Diese Entdeckung ebnet den Weg für detaillierte Studien der chemischen Zusammensetzung und des Wetters anderer fremder Welten.

"Die Atmosphäre dieses Planeten verhält sich auf eine Weise, die unser Verständnis der Wetterabläufe in Frage stellt – nicht nur auf der Erde, sondern auf allen Planeten. Es fühlt sich an, wie etwas aus einem Science-Fiction-Film", sagt Julia Victoria Seidel, Forscherin an der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und Hauptautorin der Studie, die in Nature veröffentlicht wurde.

Der Planet, WASP-121b (auch bekannt als Tylos), ist etwa 900 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Puppis (Achterdeck des Schiffs) zu finden. Es handelt sich um einen ultraheißen Jupiter, einen Gasriesen, der seinen Mutterstern so nah umkreist, dass ein Jahr dort nur etwa 30 Erdstunden dauert. Außerdem ist eine Seite des Planeten glühend heiß, da sie immer dem Stern zugewandt ist, während die andere Seite viel kühler ist.

Das Team hat nun tief in die Atmosphäre von Tylos hineingespäht und dabei unterschiedliche Winde in separaten Schichten entdeckt und eine Karte der 3D-Struktur der Atmosphäre erstellt. Es ist das erste Mal, dass Astronominnen und Astronomen die Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems so tiefgehend und detailliert untersuchen konnten.

Die Atmosphäre von Tylos ist in drei Schichten unterteilt, mit Winden aus Eisen am Boden, gefolgt von einem rasanten Jetstream aus Natrium und schließlich einer oberen Schicht aus Wasserstoffwinden. Herkunftsnachweis: ESO/M. Kornmesser

"Unser Fund war eine Überraschung: Ein Jetstream wälzt Material um den Äquator des Planeten, während eine separate Strömung in den unteren Schichten der Atmosphäre Gas von der heißen Seite zur kühleren Seite transportiert. Ein solches Klima wurde noch nie auf einem Planeten beobachtet", sagt Seidel, die auch am Lagrange-Labor des Observatoire de la Côte d'Azur in Frankreich forscht. Der beobachtete Jetstream erstreckt sich über die Hälfte des Planeten, nimmt an Geschwindigkeit zu und wirbelt die Atmosphäre hoch oben am Himmel heftig durcheinander, während er die heiße Seite von Tylos überquert. "Selbst die stärksten Hurrikane im Sonnensystem wirken im Vergleich dazu ruhig", fügt sie hinzu.

Um die 3D-Struktur der Atmosphäre des Exoplaneten zu ermitteln, kombinierte das Team mithilfe des ESPRESSO-Instruments am VLT der ESO das Licht seiner vier großen Teleskopeinheiten zu einem einzigen Signal. Dieser kombinierte Modus des VLT sammelt viermal so viel Licht wie eine einzelne Teleskopeinheit und macht schwächere Details sichtbar. Durch die Beobachtung des Planeten während eines vollständigen Transits vor seinem Mutterstern konnte ESPRESSO Signaturen mehrerer chemischer Elemente erkennen und so verschiedene Schichten der Atmosphäre untersuchen.

"Das VLT ermöglichte es uns, drei verschiedene Schichten der Atmosphäre des Exoplaneten auf einen Schlag zu untersuchen", sagt Leonardo A. dos Santos, Mitautor der Studie und Assistenzastronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA. Das Team verfolgte die Bewegungen von Eisen, Natrium und Wasserstoff, wodurch es möglich war, die Winde in den tiefen, mittleren und flachen Schichten der Planetenatmosphäre zu verfolgen."Solche Beobachtungen sind mit Weltraumteleskopen nur sehr schwer durchzuführen, was die Bedeutung bodengestützter Beobachtungen von Exoplaneten unterstreicht", fügt er hinzu.

Interessanterweise zeigten die Beobachtungen auch das Vorhandensein von Titan direkt unterhalb des Jetstreams, wie in einer Begleitstudie, die in Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde, hervorgehoben wurde. Dies war eine weitere Überraschung, da frühere Beobachtungen des Planeten gezeigt hatten, dass dieses Element nicht vorhanden war, möglicherweise weil es tief in der Atmosphäre verborgen ist.

"Es ist wirklich verblüffend, dass wir in der Lage sind, Details wie die chemische Zusammensetzung und die Wettermuster eines Planeten in einer so großen Entfernung zu untersuchen", sagt Bibiana Prinoth, Doktorandin an der Universität Lund, Schweden, und der ESO, die die Begleitstudie leitete und Mitautorin des Nature-Artikels ist.

Um die Atmosphäre kleinerer, erdähnlicher Planeten zu erforschen, werden jedoch größere Teleskope benötigt. Dazu gehört das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird. "Das ELT wird die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten grundlegend verändern", sagt Prinoth. „Diese Erfahrung gibt mir das Gefühl, dass wir kurz davor stehen, unglaubliche Dinge zu entdecken, von denen wir jetzt nur träumen können."