Der rund 40 Lichtjahre entfernte Rote Zwergstern TRAPPIST-1 wird von gleich sieben erdgroßen Gesteinsplaneten umkreist. Jetzt hat das James-Webb-Teleskop erste Daten zur Atmosphäre des zweitinnersten dieser Exoplaneten geliefert. Obwohl TRAPPIST-1c ähnlich viel Strahlung von seinem Stern bekommt wie die Venus von der Sonne, hat er offenbar keine ähnlich dichte Atmosphäre. Stattdessen deuten die Infrarotdaten darauf hin, dass der Planet zwar weniger heiß ist als die Venus, aber nur eine dünne Atmosphäre mit minimalem Kohlendioxidgehalt besitzt. Es könnte auch sein, dass er seine Gashülle komplett verloren hat. Dies erlaubt Rückschlüsse über die Entstehung und den Wassergehalt dieser sieben nahen Exoplaneten.
Der Rote Zwergstern TRAPPIST-1 beherbergt eines der uns am nächsten liegenden extrasolaren Planetensysteme – und das umfangreichste. Denn wie Astronomen 2017 entdeckten, kreisen gleich sieben Gesteinsplaneten um diesen Stern – fünf sind etwa erdgroß, die beiden restlichen sind ein wenig kleiner. Obwohl die sieben TRAPPIST-Planeten damit quasi Erdzwillinge sind, ist ihr System eher eine Miniaturausgabe unseres Sonnensystems. Denn mit Umlaufzeiten zwischen 1,5 und 12,4 Tagen liegen ihre Orbits eng beieinander und sehr dicht am Stern. Weil der Rote Zwerg aber relativ lichtschwach ist, könnten mindestens drei dieser Planeten in der habitablen Zone kreisen – der Zone, in der die Einstrahlung ein gemäßigtes Klima und flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche erlaubt. Umso spannender ist die Frage, ob diese sieben Planeten Atmosphären besitzen und was für welche.
Infraroter Blick auf den zweitinnersten Planeten
An diesem Punkt kommt das James-Webb-Weltraumteleskop ins Spiel: Seine sensiblen Infrarotspektrometer können anhand der von einem Planeten abgestrahlten Wärme zeigen, wie heiß die Planetenoberfläche ist und ob es spektrale Signaturen atmosphärischer Gase gibt. „Das nahegelegene Planetensystem TRAPPIST-1 ist derzeit der beste Kandidat, um die Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten zu untersuchen, die einen roten Zwergstern umkreisen“, erklärt Erstautor Sebastian Zieba vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Für den innersten Planeten des Systems, TRAPPIST-1b, gelang dies dem Team bereits: Die Messungen ergaben, dass dieser auf seiner Tagseite rund 238 Grad Celsius heiße Planet wohl keine Gashülle besitzt. Für die aktuelle Messung nahmen die Astronomen nun den zweiten Planeten, TRAPPIST-1c, ins Visier. Er liegt mit seiner über die gesamte Oberfläche gemittelten Gleichgewichtstemperatur etwa zwischen den Temperaturen von Merkur und Venus.
Für ihre Messungen nutzten die Astronomen das Mid-Infrared Instrument (MIRI) des James-Webb-Teleskops, um vier Passagen des Planeten vor seinem Stern einzufangen. Kurz vor und kurz nach der Bedeckung kehrt der Planet den Astronomen seine voll erleuchtete und heiße Tagesseite zu. Deren infrarote Wärmeabstrahlung fügt der Gesamtstrahlung des Sterns ein winziges Bisschen hinzu und kann so verraten, wie heiß es die Tagseite von TRAPPIST-1c ist. Weil dieser Planet in gebundener Rotation kreist und seinem Stern immer die gleiche Seite zukehrt, liefert diese planetare Abstrahlung Hinweise darauf, ob es eine Gashülle gibt, die die Hitze der Tagseite über den Planeten verteilt oder ob dies nicht der Fall ist. Um den wahrscheinlichsten Bereich der atmosphärischen Eigenschaften zu ermitteln, verglich das Team diese Daten mit Modellen verschiedener Atmosphärenzusammensetzungen und -dichten.
Keine dichte, venusähnliche Gashülle
Die Analysen ergaben, dass die Tagseite von TRAPPIST-1c rund 380 Kelvin heiß ist, das entspricht etwa 106 Grad Celsius. “Damit liegt der Wert zwischen zwei Grenzfällen für die atmosphärische Zirkulation auf einem solchen Planeten”, erklären die Astronomen. Hätte der Planet gar keine Atmosphäre und eine stark absorbierende Gesteinsoberfläche, läge der Wert bei rund 430 Kelvin, würde dagegen eine dichte Atmosphäre die Hitze verteilen, dürfte die Temperatur nicht höher als 340 Kelvin liegen. Im Abgleich mit den Planetenmodellen schließt das Team daraus, dass TRAPIST-1c keine kohlendioxidreiche, dichte Gashülle besitzen kann. „Wir können eine dicke und Venus-ähnliche Atmosphäre definitiv ausschließen“, sagt Ziebas Kollegin Laura Kreidberg. Geht man von einem CO2-Gehalt von mindestens zehn Teilchen pro einer Million (parts per million, ppm) aus, muss der atmosphärische Druck unter zehn Bar liegen.
Besitzt TRAPPIST-1c zumindest eine dünne Gashülle? Um dieser Frage nachzugehen, nutzten die Wissenschaftler ihr Atmosphärenmodell, um eine Reihe von Oberflächendrücken und Mischungen nachzubilden und mit den Infrarotdaten zu vergleichen. Das Ergebnis: Eine reine, wolkenlose CO2-Atmosphäre könnte auf dem Planeten maximal 0,1 Bar Druck aufweisen – rund zehn Prozent des irdischen Atmosphärendrucks. Für ein Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemisch wäre ein Luftdruck zwischen einem und 100 Prozent des irdischen Werts möglich. “Wir gehen davon aus, dass heiße Gesteinsplaneten, die massearme Sterne umkreisen, einen hohen Anteil an Sauerstoff und etwas Kohlendioxid aufweisen“, erklärt Zieba. Diese Atmosphäre entsteht, weil intensive Anfangsstrahlung vom Stern den ursprünglich vorhandenen Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet: Der leichte Wasserstoff wird vom Sternenwind weggerissen, während die schwereren Sauerstoffmoleküle zurückbleiben. Allerdings können die Astronomen nicht ausschließen, dass TRAPPIST-1c womöglich gar keine Gashülle mehr besitzt.
Gashülle verloren oder nie gehabt?
Diese ersten Messergebnisse zur Atmosphäre von TRAPPIST-1c zeigen, dass dieser zweitinnerste Planet offenbar kein Venus-Analog ist. Gleichzeitig werfen sie auch interessante Fragen zur Entstehung und Entwicklung dieser Planeten auf: Weil die Planeten um TRAPPIST-1 relativ nah um ihren Stern kreisen, sind sie starken Sternwinden und intensiver UV-Strahlung ausgesetzt, die ihre anfänglichen Gashüllen im Laufe der Zeit hätten erodieren und wegreißen können. Das könnte bei dem innersten und zweitinnersten Planeten dieses Systems der Fall gewesen sein. Denkbar wäre aber auch, dass diese Planeten schon von vornherein wenig flüchtige Elemente und Moleküle wie Wasser oder CO2 besaßen: “Sollten sich alle Planeten um TRAPPIST-1 auf ähnliche Weise gebildet haben, dann könnte dies auf ein nur begrenztes Reservoir auch bei den potenziell habitablen Planeten dieses Systems hindeuten”, schreiben Zieba und sein Team. Dann könnte es nur wenig Wasser auf diesen Planeten geben.
Noch ist aber unklar, welches Szenario auf TRAPPIST-1 und seine sieben Planeten zutrifft – ob sie von vornherein wenig flüchtige Substanzen hatten oder ob die bisher untersuchten Planeten ihre Gashüllen einfach nur sehr schnell wieder verloren haben. Weitere Beobachtungen müssen diese Frage nun klären.
Quelle: Sebastian Zieba (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) et al., doi: 10.1038/s41586-023-06232-z
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