video: Evaporation of atmopheric helium on the giant exoplanet WASP-69b. view more
Credit: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC).
Eine neue Forschungsarbeit unter der Leitung von Wissenschaftlern des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) zeigt, dass der extrasolare Gasriesen-Planet WASP-69b einen kometenähnlichen Schweif aus Heliumpartikeln hinter sich herzieht. Angetrieben durch die hochenergetische Strahlung seines Zentralsterns entweichen diese Heliumpartikel dem Gravitationsfeld des Exoplaneten. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Um die Atmosphäre von WASP-69b zu beobachten, wurde das CARMENES Instrument verwendet, das am 3,5-Meter Teleskop des Calar Alto Observatoriums (in Almería, Spanien) installiert ist. Dieser Spektrograph deckt sowohl den sichtbaren Wellenlängenbereich als auch das nahe Infrarot mit hoher spektraler Auflösung ab. Dies ermöglichte es, die Zusammensetzung der Exoplaneten-Atmosphäre zu enthüllen und zusätzlich die Geschwindigkeit der Heliumteilchen zu bestimmen, die das Gravitationsfeld des Planeten verlassen, sowie die Länge des von ihnen erzeugten Schweifes.
Der Planet wurde während eines Transits beobachtet, dass heißt, als der Planet vor seinem Zentralstern vorüberzog. Während dieses Ereignisses verdecken der Planet und seine Atmosphäre einen Teil des Sternenlichts. "In einem Bereich des Spektrums, in dem Heliumgas Licht absorbiert, haben wir eine größere und länger anhaltende Verdunklung des Sternlichtes beobachtet", sagt Lisa Nortmann, IAC-Forscherin und Erstautorin des heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikels. Die längere Dauer dieser Absorption lässt den Schluss zu, dass der Planet einen Schweif hat", fügt sie hinzu.
Aber dies ist nicht das einzige Ergebnis, das im Artikel beschrieben wird. Die Autoren haben auch vier andere Planeten in ähnlicher Weise analysiert. Dies sind die heißen Exoplaneten HD 189733b und HD 209458b, die eine ähnliche Masse haben wie Jupiter, der extrem heiße Riesenplanet KELT-9b und der warme neptungroße Exoplanet GJ 436b. Entgegen theoretischer Vorhersagen, wurde bei den drei letztgenannten Planeten keine ausgedehnte Helium-Exosphäre gefunden. Die Atmosphäre des heißen Jupiters HD 189733b zeigt jedoch ebenfalls starke Heliumabsorption. In diesem Fall ist die Helium-Atmosphäre jedoch deutlich kompakter und zeigt keinen Schweif.
Das Team untersuchte auch die Zentralsterne der fünf Exoplaneten mit Daten aus der Multi-Mirror-X-Ray Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA (ESA XMM-Newton). Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Helium in den Atmosphären jener Planeten detektiert wird, welche die größte Menge an Röntgen- und extrem ultravioletter Strahlung von ihren Zentralsternen erhalten. "Dies ist ein erster großer Schritt dahin herauszufinden, wie sich die Exoplanetenatmosphären im Laufe der Zeit entwickeln und woraus sich die Verteilung der Massen und Radien der beobachteten Population von Super-Erden und Mini-Neptun Planeten ergeben könnte", sagt Enric Pallé, IAC-Forscher und Mitautor der Publikation.
Die Ergebnisse derartiger Studien könnten bestätigen, dass hochenergetische Strahlung vom Zentralstern die gasförmige Hülle von Gasplaneten (ähnlich wie Neptun) abstreifen und sie in felsige Planeten mit einer ähnlichen Dichte wie der Venus oder der Erde verwandeln kann.
"In der Vergangenheit basierten Studien zum Ausströmen von Atmosphären, wie wir es in WASP-69b sehen, auf weltraumgebundenen Beobachtungen von Wasserstoff im fernen Ultraviolett, einem schwer zugänglichen Spektralbereich der stark durch interstellare Absorption beeinträchtigt wird", sagt Michael Salz, Forscher an der Universität Hamburg und Erstautor einer Begleitpublikation aus dem gleichen Team, die sich auf die Details der Detektion in HD 189733b konzentriert und in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wird. "Unsere Ergebnisse - so fährt er fort zeigen, dass Helium ein vielversprechender neuer Indikator zur Untersuchung des atmosphärischen Masse-Verlusts von Exoplaneten ist".
Dieses neue Forschungsfeld wird es der Gemeinschaft der Wissenschaftler, die sich auf die Charakterisierung von Exoplanetenatmosphären spezialisiert haben, ermöglichen Verdampfungsprozesse in einer großen Anzahl von Planeten zu vergleichen und spannende Fragen zu beantworten, wie z.B. ob Planeten mit einer ultrakurzen Umlaufzeit tatsächlich die verdampften Kerne früherer heißer Jupiter sind.
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Das CARMENES-Instrument wurde von einem Konsortium aus elf spanischen und deutschen Institutionen, unter ihnen das IAC, entwickelt. Es wurde konzipiert, um nach erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone von M-Sternen zu suchen, der Region um einen Stern herum, in der die Bedingungen die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichen. Die heute veröffentlichten Ergebnisse zeigen darüber hinaus die Fähigkeit des Instruments auch einen wesentlichen Beitrag zur Erforschung von Exoplanetenatmosphären zu leisten.
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