Berechnete Atmosphären von Exoplaneten

  • 21. July 2016

Elegante Methode zur Bestimmung der Konzentration verschiedener Moleküle entwickelt.

Normaler­weise lassen sich Berechnungen mit dem Computer viel schneller durchführen als von Hand. Doch mit einer einfachen Formel erzielt Kevin Heng, Astro­physiker an der Universität Bern, seine Resultate tausende Male schneller als mit herkömm­lichen Computer­codes. Heng berechnet die Häufig­keit bestimmter Moleküle in der Atmo­sphäre von Exoplaneten. Diese Atmosphären­chemie soll schluss­endlich klären, ob physikalische, geologische oder bio­logische Prozesse hinter beo­bachteten Messwerten stehen.

Abb.: Darstellung eines erdähnlichen Exoplaneten mit Atmosphäre. (Bild: ESO)

Abb.: Darstellung eines erdähnlichen Exoplaneten mit Atmosphäre. (Bild: ESO)

Mit ihren raf­finierten Instru­menten können Astronomen heute nicht nur neue Exo­planeten aufspüren, sondern auch die Atmosphäre einiger dieser fernen Welten charak­terisieren. Entspricht eine Beobachtung den Erwar­tungen oder sorgt sie für eine Über­raschung? Um diese Frage zu beantworten, berechnen Theoretiker die erwartete Häufigkeit von Molekülen in der Planeten­atmosphäre. „In der Sonne und den anderen Sternen ist jeweils ein bestimmter Anteil chemischer Elemente wie Wasser­stoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff enthalten“, sagt Kevin Heng. „Und es gibt viele klare Hinweise, dass die Planeten aus dieser Sternsubstanz geformt werden.“ Aber während die chemischen Elemente in den Sternen als Atome vorkommen, bilden sie bei den tieferen Tempera­turen in der Atmosphäre der Exo­planeten verschiedene Moleküle je nach Temperatur und Druck.

So kommt beispiels­weise bei niedriger Temperatur der meiste Kohlen­stoff in Form von Methan vor, bei hoher Temperatur hingegen als Kohlen­monoxid. Kohlen­stoff kann auf sehr viele Arten chemisch reagieren. Deshalb sind her­kömmliche Berech­nungen komplex und sehr zeitaufwändig. „Ich habe einen Weg gefunden, wie dies viel schneller geht, indem ich 99 Prozent des Problems auf dem Papier löse, bevor ich einen Computer auch nur berühre“, sagt Heng: „Normalerweise löst man ein System von sogenannten gekoppelten, nicht­linearen Gleichungen. Mir ist es gelungen, das Problem auf eine einzige Polynom­gleichung zu reduzieren, indem ich das Gleichungs­system auf dem Papier entkoppelt habe, anstatt einen Computer zu benützen.“ Die Lösung dieser Polynom­gleichung benötigt dann einen Bruchteil der ursprüng­lichen Computer­zeit.

„Dieser Durchbruch reduziert nun den Hauptteil des Programms auf eine Computer­code-Zeile. Nun können wir die Chemie in einer Exo­planeten-Atmosphäre in 10 Milli­sekunden statt in einigen Minuten berechnen“, sagt Heng. Die Ergebnisse zeigen erstaunlich exakt die relativen Häufig­­keiten von ver­schiedenen Molekülen wie Methan, Kohlen­monoxid, Wasser oder Ammoniak in Abhängig­keit der Temperatur darstellen. „Man kann den Unterschied zwischen meinen Berech­nungen und denjenigen mit dem kom­plizierten Computer­code kaum feststellen“, fasst Heng zusammen. So sorgte die Studie in der Fachwelt für Aufsehen, noch bevor sie offiziell veröffent­licht wurde.

Die neue analytische Methode hat mehrere Aus­wirkungen. Dank der gewaltigen Beschleu­nigung können die verschiedenen Möglich­keiten bei der Inter­pretation der Spektren der Planeten­atmosphären gründlicher untersucht werden. Hengs Berechnungen erleichtern auch anderen den Zugang: „Jetzt kann jede Astronomin, jeder Astronom irgendwo auf der Welt die Atmosphären­chemie von Exo­planeten berechnen. Man muss dafür keinen ausge­klügelten Computer­code mehr einsetzen.“

Die Astronomen hoffen, dass sie mithilfe der Beobachtung der Atmosphäre von Exo­planeten herausfinden, wie die Himmels­objekte entstanden sind und welche Prozesse noch immer ablaufen. Unter­schiede zwischen der beobachteten und der berechneten Häufig­keit von Molekülen könnten geologische oder bio­logische Prozesse aufdecken. „Wenn wir in 20 oder 30 Jahren eine Exo­planeten-Atmo­sphäre mit Wasser, Sauerstoff, Ozon und anderen Moleküle entdecken, können wir uns vielleicht fragen, ob wir Leben beobachten“, sagt Heng. Zuerst müsse aber geprüft werden, ob sich die Daten mit Physik oder Geologie erklären lassen.

U Bern / JOL

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