Entdeckung von Helium zeigt den Atmosphärenverlust heißer Exoplaneten
Im Sonnensystem kreisen die Gasriesen Jupiter und Saturn auf weiten Bahnen um die Sonne, deren Licht in dieser Entfernung nur noch wenig Wärme mit sich bringt. Ganz anders sieht es in manchen extrasolaren Planetensystemen wie HD 189733 und WASP-69 aus. Diese beiden Gasriesen umkreisen ihre Sterne in so geringer Entfernung, dass ein kompletter Umlauf, also ein "Jahr" auf den Planeten, nur wenige Tage dauert. So nah am Stern heizt die extreme Einstrahlung die Gasriesen stark auf, die deswegen auch heiße Jupiter genannt werden. Wie sich die Atmosphären heißer Jupiter unter diesen extremen Bedingungen verhalten, und ob solche Planeten vielleicht sogar stetig "verdampfen", ist eine spannende Frage der aktuellen Planetenforschung. Für die Erforschung solcher Phänomene sind Transitbeobachtungen besonders wichtig, bei denen sich der Planet vor seinen Mutterstern schiebt und seine Atmosphäre gleichsam durchleuchtet wird. Tatsächlich haben Transitbeobachtungen aus dem Weltraum mit dem Hubble Weltraumteleskop gezeigt, dass heiße Jupiter große Mengen an Material verlieren, also dass sie praktisch kontinuierlich "verdampfen". Ähnlich wie bei Kometen im Sonnensystem kann das verlorene Material dabei einen Schweif bilden, den der Planet hinter sich her zieht.
Entweichende Atmosphären konnten bisher allerdings nur bei wenigen Systemen und ausschließlich im ultravioletten Licht aus dem Weltraum beobachtet werden. Beobachtungen mit dem hochauflösenden Spektrographen CARMENES am 3.5m-Teleskop der Calar Alto Sternwarte ermöglichten nun erstmals, Helium in der ausströmenden Atmosphäre heißer Jupiter auch vom Boden aus nachzuweisen und das sogar mit besserer spektraler Auflösung als es mit dem Hubble Weltraumteleskop möglich ist.
Das deutsch-spanische Team von Wissenschaftlern stellte seine Entdeckung am Donnerstag in zwei Publikationen in Science und Astronomy & Astrophysics vor. Astronomen der Hamburger Sternwarte waren hierbei federführend bei der Datenanalyse von HD 189733 b,
einem der bisher meiststudierten heißen Jupiter. Dabei zeigten sie, dass Helium in der Atmosphäre von HD 189733 b während des Transits einen kleinen, aber gut-messbaren, Teil des infraroten Sternlichts schluckt, oder besser gesagt absorbiert. Die entstehende Absorptionslinie verrät viel über die Atmosphäre des Planeten.
Diese scheint sehr kompakt zu sein und weist keine stark schweifförmige Struktur auf.
Die hohe Datenqualität erlaubte sogar die Messung von atmosphärischen Windgeschwindigkeiten, die darauf hindeuten, dass sich die Atmosphäre auf den beiden Seiten des Planeten unterschiedlich bewegt. "Möglicherweise rotiert die Atmosphäre schneller als der Planet selber, ähnlich wie es auf der Venus beobachtet wird".
Diese sogenannte Superrotation wurde bisher noch nie in solch hohen Atmosphärenschichten gemessen und ist zweifelsohne ein wichtiger Prozess bei der Verteilung der eingestrahlten Wärme über die Planetenoberfläche. Etwas anders verhält es sich bei dem Planeten WASP-69 b, dessen Daten von einem in Spanien basierten Team analysiert wurden. In diesem System ist das Absorptionssignal noch stärker als bei HD 189733 b und bleibt sogar bestehen, nachdem der Planet schon komplett an seinem Mutterstern vorbeigezogen ist.
"Dieser Planet zieht also einen Schweif aus Helium und wahrscheinlich anderen Gasen hinter sich her,
die seiner Atmosphäre schon entwichen sind".
(Foto: Nasa) Bisher vermutete man, dass die Stärke der Heliumsignatur direkt mit der Intensität der stellaren Einstrahlung im ultravioletten und Röntgenbereich zusammen hängt. Und in der Tat zeigte die Analyse dreier Planetenatmosphären mit schwächerer Bestrahlung als bei WASP-69 b und HD 189733 b keine messbare Helium-Absorption. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen deutlich das wissenschaftliche Potenzial dieser neuartigen Beobachtungen, insbesondere durch die Möglichkeit, eine große Anzahl an Planeten zu untersuchen.