Bisher sträubte sich der mysteriöse Exoplanet GJ 1214 b gegen die Verfahren der Atmosphärenforschung. Doch nun konnte der Infrarot-Blick des James Webb-Weltraumteleskops dem Mini-Neptun endlich seine Geheimnisse entlocken, berichten Astronomen. Aus den Beobachtungen geht hervor, dass der Planet einen ungewöhnlich stark reflektierenden Dunstschleier in seiner Hochatmosphäre besitzt. Außerdem geben die Spektraldaten Hinweise auf Wasserdampf und Methan in der Gashülle von GJ 1214 b, berichten die Wissenschaftler.
Tausende von Planeten ferner Sternsysteme sind mittlerweile bekannt – nun wollen Astronomen immer mehr Details dieser fernen Welten aufdecken. Im Fokus stehen dabei die Merkmale der Atmosphären, denn sie können Hinweise auf die Entwicklungsgeschichte und die potenzielle Lebensfreundlichkeit von Exoplaneten liefern. Meist kommt dabei ein Verfahren zum Einsatz, bei dem das Licht spektroskopisch analysiert wird, das beim Vorbeiziehen eines Exoplaneten vor seinem Stern zu uns durchschimmert. Anhand bestimmter Signaturen in diesem Schein sind Rückschlüsse auf Substanzen in der Atmosphäre möglich. Auf diese Weise haben Forscher auch bereits versucht, dem Planeten GJ 1214 b atmosphärische Informationen zu entlocken. Doch überraschenderweise glückte dies bisher nicht.
Grundsätzlich hatten die früheren Untersuchungen des Exoplaneten gezeigt, dass er etwa dreimal größer als die Erde ist und seinen Stern in einer sogenannten gebundenen Rotation eng umkreist. Das bedeutet, dass sein Umlauf genauso lange dauert wie seine Rotation um die eigene Achse. Folglich besitzt der Planet eine permanente Tag- und Nachtseite. Anhand seiner Ausmaße und Masse wurde GJ 1214 b als ein Mini-Neptun klassifiziert. Diese Art von Exoplaneten ist die häufigste, die Astronomen bisher im All entdeckt haben. Unser Sonnensystem besitzt allerdings keinen Vertreter dieser Kategorie, wodurch die Merkmale der Mini-Neptune unklar bleiben und das Interesse der Astronomen besonders wecken. Da GJ 1214 b nur etwa 50 Lichtjahre von uns entfernt ist, erhoffte man sich gute Möglichkeiten zur atmosphärischen Erforschung. Doch mit der Standardmethode ließen sich bisher keine Einblicke gewinnen.
Mysteriöse Reflexions-Schicht
Nun hat ein internationales Astronomenteam den „widerspenstigen“ Himmelskörper mit dem MIRI-Spektrografen des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) ins Visier genommen. Damit konnten sie das Spektrum seiner Infrarotstrahlung detailliert erfassen und mithilfe von Modellrechnungen auswerten. Die Astronomen haben dazu einen vollständigen Umlauf von GJ 1214 b erfasst und somit seine Oberfläche von allen Seiten betrachtet – das erste Mal bei einem Mini-Neptun. Wie das Team berichtet, geht aus den Daten der Infrarotabstrahlung hervor, dass die Hälfte der Einstrahlung durch den Zentralstern von dem Planeten reflektiert wird. Neben optischen Effekten trägt dies zu einer stark verringerten Erwärmung der Atmosphäre bei. Den Forschern zufolge lassen sich die Daten nur dadurch erklären, dass eine Schicht in der oberen Atmosphäre des Planeten existiert, die die Strahlung des Muttersterns ungewöhnlich stark reflektiert. Dadurch wurden offenbar auch die bisherigen Einblicks-Versuche in die Atmosphäre erschwert. Woraus diese „spiegelnde“ Schicht besteht, bleibt allerdings nach wie vor ein Geheimnis.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Dunstschicht von GJ 1214 b anders zusammengesetzt sein muss, als wir es von den uns bekannten Himmelskörpern kennen“, sagt Co-Autorin Maria Steinrück vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Keine bisher vorgeschlagene Zusammensetzung kann demnach eine zufriedenstellende Erklärung liefern. Möglicherweise könnten aber spezielle organische Verbindungen für die reflektierende Schicht verantwortlich sein. Ähnlich wie auf der Erde die Ozonschicht mit der UV-Strahlung der Sonne reagiert, könnten demnach auch vergleichbare Prozesse in der Hochatmosphäre von GJ 1214 b und vielleicht vieler anderer Mini-Neptune für die Produktion spezieller Dunst-Verbindungen sorgen, so die Vermutung.
Hinweise auf die Zusammensetzung der Atmosphäre
Wie das Team weiter berichtet, ließen sich aus den Daten des JWST auch Hinweise auf einige Bestandteile der Atmosphäre von GJ 1214 b ableiten. Aus Modellrechnungen auf der Grundlage bestimmter Abstrahlungseffekte des Planeten geht demnach hervor, dass die Atmosphäre neben Wasserstoff und Helium einen hohen Anteil an schwereren Elementen aufweist. Darüber hinaus besitzt dieser Planet wahrscheinlich Wasser, das als gasförmiger Dampf auftritt. Allerdings könnten die Merkmale auch auf Methangas hindeuten, räumen die Forscher ein. Eine Mischung aus beiden ist ebenfalls denkbar. Zur Klärung sind daher weitere Beobachtungen von GJ 1214 b nötig.
Doch wie die Astronomen betonen, stellen die Ergebnisse bereits einen großen Fortschritt dar: Sie lassen hoffen, dass nun ein Werkzeug gefunden wurde, mit dem die häufigste Klasse von Exoplaneten systematisch untersucht werden kann. Co-Autorin Laura Kreidberg vom MPIA sagt dazu abschließend: „GJ 1214b war der weiße Wal der Bestimmung von Exoplanetenatmosphären. Die gesamte Forschungsgemeinschaft war lange Zeit hinter ihm her. Es ist wunderbar, dass endlich einige seiner Geheimnisse gelüftet wurden“, so die Astronomin.
Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06159-5
An der Grenze des Periodensystems
