Viele bisher näher untersuchte Exoplaneten gehören zu den sogenannten “heißen Jupitern”. Dies sind große Gasplaneten, die ihrem Stern sehr nahe und entsprechend aufgeheizt sind: Die Tagseite dieser meist in gebundener Rotation kreisenden Planeten ist bis zu mehrere tausend Grad heiß. Entsprechend exotisch ist die Chemie in den Gashüllen dieser extrasolaren Gasriesen: Durch die extreme Hitze werden Metalle gasförmig und sogar stabile Moleküle zerfallen. Selbst die Nachtseite einiger heißer Jupiter ist noch so heiß, dass es dort flüssiges Eisen regnet, Titandioxid schneit oder sich Wolken aus flüssigen Mineralen bilden. Gleichzeitig bieten diese Exoplaneten aber fast perfekte Voraussetzungen, um ihre Gashüllen zu untersuchen. Weil sie ihre Sterne nah umkreisen und ihre Gashülle zudem oft aufgebläht ist, fällt beim Transit der Planeten viel Licht des Sterns durch ihre Atmosphäre. Deren spektrometrische Signaturen können Astronomen daher relativ gut detektieren und analysieren. “Ultraheiße Jupiter eröffnen uns daher ein einzigartiges Fenster in atmosphärische Prozesse”, erklären Julia Seidel von der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und ihre Kollegen.
Blick in die Gashülle eines ultraheißen Jupiters
Bei einem dieser ultraheißen Exoplaneten haben Seidel und ihr Team nun erstmals die dreidimensionale Struktur der Atmosphäre entschlüsselt und ihre Dynamik so genau wie noch nie zuvor bei einem Exoplaneten analysiert. Bei dem Planeten handelt es sich um den rund 900 Lichtjahre entfernten heißen Jupiter WASP-121b. Dieser Gasriese ist rund 1,6 Jupitermassen schwer, hat aber einen rund 75 Prozent größeren Durchmesser. “Der Planet ist demnach stark aufgebläht und hat eine 2,5-mal geringere Dichte als der Saturn”, erklären die Astronomen. Mit einer Umlaufzeit von nur 30,6 Stunden umkreist der Planet seinen Stern extrem nah und kehrt ihm dabei immer dieselbe Seite zu. Auf seiner Tagseite herrschen daher Temperaturen von mehr als 2700 Grad, das ist genug, um Moleküle auseinanderzureißen und Metalle verdampfen zu lassen. Auf der Nachtseite ist es immerhin noch rund 1200 Grad heiß. “WASP-121b ist damit ein archetypischer ultraheißer Jupiter, der uns einzigartige Chancen bietet, diese extremen Atmosphärenbedingungen im Detail zu erforschen”, schreiben Seidel und ihr Team.
Für ihre Studie schalteten die Astronomen die vier Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte in Chile so zusammen, dass sie wie ein großes Teleskop von 16 Meter Durchmesser arbeiten. Dieser kombinierte Modus des VLT sammelt viermal so viel Licht wie eine einzelne Teleskopeinheit und macht selbst schwächere Details sichtbar. Das in diesem Modus beim Transit von WASP-121b vor seinem Stern eingefangene Licht analysierten sie dann mithilfe des hochauflösenden ESPRESSO-Spektrografen. Mithilfe dieser spektralen Daten konnten Seidel und ihre Kollegen die Signaturen zahlreicher Elemente und Ionen nachweisen, darunter Wasserstoff, aber auch Metalle wie Eisen, Vanadium, Titan, Barium, Nickel, Natrium, Kalium und Calcium. Drei dieser Elemente – Wasserstoff, Eisen und Natrium – nutzten die Astronomen dann, um die atmosphärischen Strömungen in unterschiedlichen Höhen der Gashülle zu verfolgen. „Das VLT ermöglichte es uns, drei verschiedene Schichten der Atmosphäre des Exoplaneten auf einen Schlag zu untersuchen“, sagt Co-Autor Leonardo dos Santos vom Space Telescope Science Institute in Baltimore.
