NASA’s Webb knackt den Fall eines aufgeblähten Exoplaneten

Originalveröffentlichung am 20.05.2024 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Ein überraschender Mangel an Methan deutet darauf hin, daß die Gezeitenerwärmung die Atmosphäre des warmen Gasriesen WASP-107 b aufgebläht hat

Warum ist der warme Gasriese-Exoplanet WASP-107 b so stark aufgebläht? Mit einer gemäßigten Temperatur und einer äußerst niedrigen Dichte, die einem in der Mikrowelle aufgewärmten Marshmallow entsprechen, scheint er gegen die gängigen Theorien zur Planetenentstehung und -entwicklung zu verstoßen.

Zwei unabhängige Forscherteams glauben, daß sie es herausgefunden haben. Daten von Webb in Kombination mit frühe-ren Beobachtungen von Hubble zeigen, daß das Innere von WASP-107 b viel heißer sein muß als bisher angenommen. Die unerwartet hohe Temperatur, von der man annimmt, daß sie durch Gezeitenkräfte, die den Planeten wie Knetmasse dehnen, verursacht wird, kann erklären, wie Planeten wie WASP-107 b so schwammig sein können, und möglicherweise ein langjähriges Rätsel der Exoplanetenforschung lösen.

Warum ist der warme Gasriese-Exoplanet WASP-107 b so aufgebläht? Zwei unabhängige Forscherteams haben eine Antwort gefunden.

Die mit NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop gesammelten Daten zeigen in Kombination mit früheren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA überraschend wenig Methan (CH4) in der Atmosphäre des Planeten, ein Hinweis darauf, daß das Innere von WASP-107 b wesentlich heißer und der Kern viel massereicher sein muß als bisher angenommen.

Man nimmt an, daß die unerwartet hohe Temperatur auf die Gezeitenerwärmung zurückzuführen ist, die durch die leicht nicht kreisförmige Umlaufbahn des Planeten verursacht wird. Sie kann erklären, wie WASP-107 b so aufgebläht sein kann, ohne auf extreme Theorien über seine Entstehung zurückgreifen zu müssen.

Die Ergebnisse, ermöglicht durch die außergewöhnliche Empfindlichkeit von Webb und die damit einhergehende Fähigkeit, das durch die Atmosphären von Exoplaneten hindurchgehende Licht zu messen, könnten die aufgeblähte Natur von Dutzenden von Exoplaneten mit geringer Dichte erklären und dazu beitragen, ein langjähriges Rätsel der Exoplanetenforschung zu lösen.

Das Problem mit WASP-107 b

Mit mehr als drei Viertel des Volumens von Jupiter, aber weniger als einem Zehntel der Masse, ist der „warme Neptun“, Exoplanet WASP-107 b, einer der am wenigsten dichten Planeten, die bekannt sind. Aufgeblähte Planeten sind zwar keine Seltenheit, aber die meisten sind heißer, massereicher und daher leichter zu erklären.

„Ausgehend von seinem Radius, seiner Masse, seinem Alter und seiner angenommenen Innentemperatur dachten wir, daß WASP-107 b einen sehr kleinen, felsigen Kern besitzt, der von einer riesigen Masse aus Wasserstoff und Helium umgeben ist“, erklärt Luis Welbanks von der Arizona State University (ASU), Hauptautor eines heute in Nature veröffentlichten Artikels. „Aber es war schwer zu verstehen, wie ein so kleiner Kern so viel Gas ansammeln und dann, kurz bevor er zu einem Planeten mit Jupitermasse herangewachsen ist, sein Wachstum einstellt.

Wenn sich stattdessen ein größeren Teil der Masse von WASP-107 b im Kern befindet, müsste die Atmosphäre ge-schrumpft sein, als der Planet im Laufe der Zeit seit seiner Entstehung abkühlte. Ohne eine Wärmequelle, die das Gas wieder aufbläht, müsste der Planet viel kleiner sein. Obwohl WASP-107 b seinen Stern in einer Entfernung von nur 8 Millionen Kilometern umkreist, (ein Siebtel der Entfernung zwischen Merkur und Sonne), erhält er nicht ausreichend Energie von seinem Stern, um so aufgebläht zu sein.

„WASP-107 b ist deshalb ein so interessantes Ziel für Webb, weil er deutlich kühler und von seiner Masse her neptun-ähnlicher ist als viele der anderen Planeten mit geringer Dichte, die sogenannten heißen Jupiter, die wir bisher untersucht haben“, sagte David Sing von der Johns Hopkins University (JHU), Hauptautor einer parallelen Studie, die ebenfalls heute in Nature veröffentlicht wurde. „Infolgedessen sollten wir in der Lage sein, Methan und andere Moleküle nachzuwei-sen, die uns Informationen über seine Chemie und innere Dynamik geben können, die wir von einem heißeren Planeten nicht erhalten können.

Eine Vielfalt an bisher nicht nachweisbaren Molekülen

Der riesige Radius von WASP-107 b, seine ausgedehnte Atmosphäre und eine auf Kante stehende Umlaufbahn machen ihn ideal für die Transmissionsspektroskopie, eine Methode, mit der die verschiedenen Gase in der Atmosphäre eines Exoplaneten anhand ihrer Wirkung auf das Sternenlicht identifiziert werden können.

Durch die Kombination der Beobachtungen von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera), Webb’s MIRI (Mittelinfrarot-instrument) und Hubble’s WFC3 (Weitwinkelkamera 3) konnte das Team von Welbanks ein breites Spektrum des von der Atmosphäre von WASP-107 b absorbierten Lichts im Bereich von 0,8 bis 12,2 Mikrometer erstellen. Mit NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) von Webb erstellte das Team von Sing ein unabhängiges Spektrum, das 2,7 bis 5,2 Mikrometer abdeckt.

Die Präzision der Daten ermöglicht es, eine Vielzahl von Molekülen nicht nur zu erkennen, sondern auch deren Häufigkeit zu messen, darunter Wasserdampf (H₂O), Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO₂) und Ammoniak (NH₃).

Brodelndes Gas, heißes Inneres und massereicher Kern

Beide Spektren zeigen einen überraschenden Mangel an Methan in der Atmosphäre von WASP-107 b: ein Tausendstel der Menge, die aufgrund der angenommenen Temperatur erwartet wurde.

„Dies ist ein Beweis dafür, daß sich das heiße Gas aus der Tiefe des Planeten stark mit den kühleren Schichten weiter oben vermischen muß“, erklärt Sing. „Methan ist bei hohen Temperaturen instabil. Die Tatsache, daß wir so wenig gemessen haben, obwohl wir andere kohlenstoffhaltige Moleküle gefunden haben, sagt uns, daß das Innere des Planeten wesentlich heißer sein muß, als wir dachten.“

Eine wahrscheinliche Quelle für die zusätzliche, aus dem Inneren kommende Energie von WASP-107 b ist die Gezeiten-erwärmung, die durch seine leicht elliptische Umlaufbahn verursacht wird. Da sich der Abstand zwischen dem Stern und dem Planeten während der 5,7-tägigen Umlaufzeit ständig ändert, ändert sich auch die Gravitationskraft, die den Planeten dehnt und aufheizt.

Forscher hatten zuvor vorgeschlagen, daß Gezeitenerwärmung die Ursache für das Aufblähen von WASP-107 b sein könnte, aber bis die Ergebnisse von Webb vorlagen, gab es keinen Beweis dafür.

Nachdem sie festgestellt hatten, daß der Planet über genügend innere Hitze verfügt, um die Atmosphäre gründlich durch-mischt zu haben, erkannten die Teams, daß die Spektren auch einen neuen Weg zur Schätzung der Größe des Kerns bieten könnten.

„Wenn wir wissen, wie viel Energie in dem Planeten steckt und welcher Anteil des Planeten aus schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel besteht und wie viel aus Wasserstoff und Helium, können wir berech-nen, wie viel Masse sich im Kern befinden muß“, erklärt Daniel Thorngren von der JHU.

Es stellte sich heraus, daß der Kern mindestens doppelt so massereich ist wie ursprünglich angenommen, was unter dem Aspekt der Entstehung von Planeten mehr Sinn ergibt.

Alles in allem ist WASP-107 b nicht so geheimnisvoll, wie es zunächst schien.

„Die Webb-Daten sagen uns, dass Planeten wie WASP-107 b nicht auf eine seltsame Art und Weise mit einem super-kleinen Kern und einer riesigen gas-haltigen Hülle entstanden sein müssen“, erklärt Mike Line von der ASU. „Stattdessen können wir etwas nehmen, das eher dem Neptun ähnelt, mit viel Gestein und nicht so viel Gas, einfach die Temperatur erhöhen und es so aussehen lassen, wie es aussieht.“

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisa-tion).

Weitere Literatur:

SO₂, silicate clouds, but no CH₄ detected in a warm Neptune

Warmer Gasriesen-Exoplanet WASP-107 b (Künstlerischer Entwurf)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): WASP-107 b
• Objektbeschreibung: Exoplanet vom Typ warmer Neptun
• Rektaszension: 12:33:32.74
• Deklination: -10:08:46:37
• Sternbild: Virgo
• Entfernung: 210 Lichtjahre

Über das Bild: Dieser künstlerische Entwurf zeigt, wie der Exoplanet WASP-107 b auf Basis der jüngsten Daten von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop sowie früherer Beobachtungen von Hubble und anderen weltraum- und bodengestützten Teleskopen aussehen könnte.

WASP-107 b ist ein „warmer Neptun“-Exoplanet, der einen relativ kleinen und kühlen Stern in etwa 210 Lichtjahren Entfernung von der Erde im Sternbild Jungfrau umkreist. Der Planet hat etwa 80 % des Volumens des Jupiters, aber eine Masse von weniger als 10 % des Jupiters, was ihn zu einem der am wenigsten dichten Exoplaneten macht.

WASP-107 b umkreist seinen Stern in einer Entfernung von etwa 8 Millionen Kilometern (0,055 Astronomische Einheiten) und vollendet einen Umlauf in 5,72 Tagen. Der Planet rotiert gebunden: Er rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der er den Stern umkreist, was bedeutet, daß eine Seite ständig beleuchtet ist, während die andere in ständiger Dunkelheit liegt, ohne Tag-Nacht-Zyklus. Die Umlaufbahn von WASP-107 b ist leicht elliptisch, mit der Folge, daß sich die Anziehungs-kraft zwischen dem Stern und dem Planeten ständig ändert, wenn sich der Planet während seiner Umlaufbahn auf den Stern zu und von ihm weg bewegt.

Beobachtungen von Infrarotlicht bei 0,8 bis 12 Mikrometern, aufgezeichnet von Hubble’s WFC3 (Weitwinkelkamera 3) und Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera), NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) und MIRI (Mittelinfrarotinstrument), deuten darauf hin, daß der Planet einen relativ großen Kern hat, der von einer relativ kleinen Masse aus Wasserstoff- und Heliumgas umgeben ist, das durch die Gezeitenerwärmung im Inneren aufgebläht wurde.

WASP-107 b wurde bisher noch von keinem Teleskop direkt abgebildet.

Transmissionsspektrum des warmen Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 b

(Hubble WFC3, Webb NIRCam, Webb MIRI)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): WASP-107 b
• Objektbeschreibung: Exoplanet vom Typ warmer Neptun
• Rektaszension: 12:33:32.74
• Deklination: -10:08:46:37
• Sternbild: Virgo
• Entfernung: 210 Lichtjahre
• Daten
• Instrument: Hubble: WFC3
• Instrument: Webb: NIRCam
• Instrument: Webb: MIRI
• Filter: Hubble: G141, G102
• Filter: Webb: F322W2, F444W

Über das Bild: Dieses Transmissionsspektrum, das mit den Weltraumteleskopen Hubble und Webb der NASA aufge-nommen wurde, zeigt die Anteile verschiedener Wellenlängen (Farben) des Sternenlichts, die von der Atmosphäre des Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 b blockiert werden.

Das Spektrum umfaßt Licht, das in fünf separaten Beobachtungen mit insgesamt drei verschiedenen Instrumenten gesam-melt wurde: Hubble’s WFC3 (0,8 bis 1,6 Mikrometer), Webb’s NIRCam (2,4 bis 4,0 Mikrometer und 3,9 bis 5,0 Mikrometer) und Webb’s MIRI (5 bis 12 Mikrometer). Für jede Meßreihe wurde das Planet-Stern-System etwa 10 Stunden lang vor, während und nach dem Transit beobachtet, während sich der Planet über die Oberfläche des Sterns bewegte.

Vergleicht man die Helligkeit des durch die Planetenatmosphäre gefilterten Lichts (transmittiertes Licht) mit dem ungefilter-ten Sternenlicht, kann man den Anteil jeder Wellenlänge berechnen, der von der Atmosphäre blockiert wird. Da jedes Molekül eine einzigartige Kombination von Wellenlängen absorbiert, kann das Transmissionsspektrum verwendet werden, um die Häufigkeit verschiedener Gase einzugrenzen.

Dieses Spektrum zeigt klar Hinweise auf Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Schwefeldioxid (SO₂) und Ammoniak (NH₃) in der Atmosphäre des Planeten, was es den Forschern ermöglicht, die Temperatur im Inneren und die Masse des Kerns abzuschätzen.

Diese Wellenlängenabdeckung vom optischen bis zum mittleren Infrarot ist die breiteste aller bisherigen Transmissions-spektren von Exoplaneten und beinhaltet den ersten berichteten Nachweis von Ammoniak in einer Exoplanetenatmo-sphäre durch ein Weltraumteleskop.

Transmissionsspektrum des warmen Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 b (NIRSpec)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): WASP-107 b
• Objektbeschreibung: Exoplanet vom Typ warmer Neptun
• Rektaszension: 12:33:32.74
• Deklination: -10:08:46:37
• Sternbild: Virgo
• Entfernung: 210 Lichtjahre
• Daten
• Instrument: NIRSpec

Über das Bild: Dieses Transmissionsspektrum, mit Webb’s NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) aufgenommen, zeigt die Anteile verschiedener Wellenlängen (Farben) des Sternenlichts im nahen Infrarot, die von der Atmosphäre des Gasriesen WASP-107 b blockiert werden.

Das Spektrum wurde durch Beobachtung des Planet-Stern-Systems für etwa 8,5 Stunden vor, während und nach dem Transit erstellt, während sich der Planet über die Oberfläche des Sterns bewegte.

Vergleicht man die Helligkeit des durch die Planetenatmosphäre gefilterten Lichts (transmittiertes Licht) mit dem ungefilter-ten Sternenlicht, kann man den Anteil jeder Wellenlänge berechnen, der von der Atmosphäre blockiert wird. Da jedes Molekül eine einzigartige Kombination von Wellenlängen absorbiert, kann das Transmissionsspektrum verwendet werden, um die Häufigkeit verschiedener Gase einzugrenzen.

Dieses Spektrum zeigt klare Hinweise auf Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄) und Schwefeldioxid (SO₂) in der Atmosphäre des Planeten, was es den Forschern ermöglicht, die Temperatur im Inneren und die Masse des Kerns zu schätzen.