Forschung

Heiße Jupiter auf Nachtseite dicht bewölkt

26.08.2019 - Temperaturen der sternabgewandten Hemisphären sind überraschend konstant.

Große Gasplaneten auf engen Umlaufbahnen um ihre Zentral­sterne – kurz „heiße Jupiter“ genannt – zeigen aufgrund der Gezeiten­kräfte im Allgemeinen eine gebundene Rotation. Ihre eine Hemisphäre ist also stets dem Stern zugewandt, während die andere Hemisphäre permanent im Dunkeln liegt. Während sich dadurch die Tagseite durch die Strahlung des Sterns aufheizt, würde sich die Nachtseite ohne Atmosphäre bis nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlen. Durch die Atmosphäre kommt es allerdings zu einem permanenten Wärme­fluss von der Tag- auf die Nacht­seite, so dass sich schließlich auf beiden Seiten unterschiedliche Gleich­gewichts­temperaturen einstellen.
 

Die Tagestemperatur hängt dabei direkt von der Intensität der Strahlung des Zentral­sterns auf Höhe der Umlaufbahn des Planeten ab, also vom Äquivalent der irdischen Solar­konstanten. Modelle der atmosphärischen Dynamik für heiße Jupiter sagen einen solchen Zusammen­hang auch für die – allerdings niedrigere – Temperatur auf der Nachtseite voraus. Denn in diesen Modellen ergibt sich die Temperatur auf der sternabgewandten Seite einfach aus dem Wärmestrom über die Tag- und Nacht­grenze, der wiederum von der Tages­temperatur und damit von der Strahlungs­intensität des Sterns abhängt.

Dylan Keating, Nicolas Cowan und Lisa Dang von der McGill Universität im kanadischen Montreal haben nun erstmals diese modell­theoretisch vorhergesagten Zusammenhänge anhand von Beobachtungs­daten untersucht. Dazu verwendeten die drei Forscher alle publizierten Daten von insgesamt zwölf heißen Jupitern. Alle diese Planeten wurden über die Transit-Methode entdeckt, sie ziehen also von der Erde aus gesehen regelmäßig vor und hinter ihrem Stern vorüber. Aus den im Verlauf vieler Umlaufperioden gesammelten Helligkeits­daten konnten die Forscher jeweils Phasen­diagramme für die Planeten ermitteln, also die Helligkeit des Planeten in Abhängigkeit von der Beleuchtungs­phase. Daraus wiederum konnten die Forscher auf die Temperaturen der Tag- und Nachtseite schließen, da diese mit der jeweiligen bolometrischen Helligkeit zusammenhängt.

Wie erwartet zeigen die Daten einen eindeutigen Trend der im Bereich von 1000 bis 4000 Kelvin liegenden Tagestemperaturen in Abhängigkeit von den Einstrahlungen durch den jeweiligen Stern. Für die Nachtseite jedoch zeigte sich zur Überraschung kein derartiger Trend. Im Gegenteil: Die Nacht­temperaturen liegen für einen weiten Bereich konstant bei etwa 1100 Kelvin. Erst für auf der Tagseite extrem heiße Planeten oberhalb von etwa 3500 Kelvin zeigt sich ein leichter Anstieg auch der Nacht­temperaturen. Keating, Cowan und Dang ziehen daraus den Schluss, dass die bislang verwendeten Atmosphären­modelle für heiße Jupiter unzulänglich sind. Denn sie gehen der Einfachheit halber von wolkenfreien Atmosphären aus. Wolken spielen aber, so das Forschertrio, offenbar eine wichtige Rolle auf der Nachtseite.

Wie das Team zeigt, führen Wolken, die für langwellige Strahlung optisch dick sind, zu einer nahezu konstanten Temperatur in den oberen Wolken­schichten – also genau den atmosphärischen Schichten, die von den Beobachtungen erfasst werden. Um solche optischen Eigenschaften zu besitzen, könnten die Wolken aus relativ großen Körnchen beispiels­weise aus Mangansulfid und Silikaten bestehen, argumentieren die Wissenschaftler. Um die Atmosphären heißer Jupiter vollständig zu verstehen, müssten jetzt vollständig drei­dimensionale Modelle unter realistischer Berück­sichtigung der Wolken­bildung entwickelt werden.

Rainer Kayser
 

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