Die Atmosphäre eines Exoplaneten

  • 01. February 2007



Amerikanische Astronomen blickten mittels der Transitmethode erstmals auf die Temperaturschichtung der Atmosphäre eines so genannten „Heißen Jupiters“.

Die Transitmethode gewinnt bei der Suche nach extrasolaren Planeten - kurz auch Exoplaneten genannt - immer mehr an Bedeutung. Dabei verraten sich die Planeten durch eine geringfügige Abschwächung des Sternenlichts, wenn sie von der Erde aus gesehen vor ihrem Zentralstern vorüberziehen. Nun gelang es einem Team amerikanischer Astronomen erstmals, mittels der Transitmethode einen Blick auf die Temperaturschichtung der Atmosphäre eines „Heißen Jupiters“ zu werfen. Dabei stießen die Forscher auf eine 1000 Kilometer dicke, 5000 Kelvin heiße Zone in einer Höhe von 8500 Kilometern. Vermutlich beginnt hier das Abströmen heißen Wasserstoffs aus der Planetenatmosphäre ins Weltall, das zur Ausbildung eines kometenartigen Schweifs bei dem Planeten führt.

Rund zehn Prozent der bislang entdeckten etwa 200 Exoplaneten gehören zur Klasse der „Heißen Jupiter“: Gasriesen ähnlich dem Jupiter in unserem Sonnensystem, die im Gegensatz zu diesem allerdings auf extrem engen Bahnen um ihren Stern kreisen. Die Atmosphäre solcher Planeten ist deshalb einer extremen Strahlung ausgesetzt. Der stetige Energiezufluss von dem nahen Stern führt dazu, dass sich in der oberen Atmosphäre kein hydrostatisches Gleichgewicht ausbilden kann. Es kommt vielmehr zu einem hydrodynamischen Zustand, bei dem große Gasmengen ins All abströmen.

Abb.: So könnte der Planet HD 209458b aussehen. Die Strahlung des nahen Sterns heizt die Atmosphäre des Planeten auf und führt zur Bildung eines kometenartigen Schweifs. (Quelle: NASA/ESA)

HD 209458b ist der erste extrasolare Planet, bei dem ein Transit nachgewiesen werden konnte. Der Planet besitzt etwa zwei Drittel der Jupitermasse und umkreist seinen sonnenähnlichen Zentralstern alle 3,5 Tage in einem Abstand von 6,75 Millionen Kilometern - das sind etwa 4,5 Prozent des Abstands Erde-Sonne. Entsprechend stark ist die Strahlung des Sterns bei dem Planeten.

Die Transitmethode bietet - im Gegensatz zur Dopplermethode - die Möglichkeit, aus der Stärke der Lichtabschwächung den Radius des Planeten zu bestimmen. Bei HD 209458b erhält man einen Wert von 1,32 Jupiterradien. Aber mehr noch: Mit einem Vergleich der Spektren während und außerhalb des Transits lassen sich stellare und planetare Komponenten des Spektrum voneinander trennen und so sogar Rückschlüsse auf die Atmosphäre des Exoplaneten ziehen.

Untersuchungen in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass HD 209458b durch die Aufheizung seiner Atmosphäre auf 10.000 Kelvin einen ausgedehnten, kometenartigen Schweif besitzt. Rund zehn Millionen Kilogramm Gas strömt dort in jeder Sekunde ins Weltall ab. Die untere Atmosphäre des Planeten scheint dagegen eine Temperatur in der Größenordnung von 1200 Kelvin zu besitzen.

Gilda Ballester, David Sing und Floyd Herbert vom Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona in Tucson gelang es nun, im Spektrum während der Transits eine weitere, breitbandige Absorption nachzuweisen. Die drei Forscher sehen die Ionisation von Wasserstoff im ersten angeregten Zustand als Ursache dieses Absorptionsfeatures. Mithilfe eines Atmosphärenmodels ergibt sich daraus die Existenz einer 5000 Kelvin heißen Zwischenschicht in der Atmosphäre.

Die in „Nature“ veröffentlichte Arbeit von Ballester, Sing und Herbert zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial in der Transitmethode steckt. Die Zahl der Transit-Planeten wird dank des Ende 2006 gestarteten Satelliten Corot in den kommenden Jahren immens ansteigen - mit rund einhundert neuen Exoplaneten in zwei Jahren rechnen die Forscher. Die meisten dieser Planeten werden vermutlich „Heiße Jupiter“ sein. Die Erforschung der Atmosphären dieser Planeten dürfte also in den kommenden Jahren ein - im sprichwörtlichen Sinne - heißes Forschungsfeld sein.

Rainer Kayser

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