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Neue Methode zeigt die tatsächliche Form extrem heißer Exoplanetenatmosphären
Ungleiche Gashülle: Der rund 1.300 Lichtjahre entfernte Exoplanet WASP-17b besitzt am Abendrand eine stärker ausgedehnte Atmosphäre als am Morgenrand. Das zeigt eine neue Analyse von Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops. Aus den Messdaten leiten die Forscher einen Temperaturunterschied von etwa 650 Grad ab und können erstmals auch Veränderungen zwischen Äquator und Polen kartieren.
Bristol (England). Wenn ein Exoplanet vor seinem Stern vorbeizieht, verdunkelt er dessen Licht. Ein kleiner Teil des Sternenlichts passiert dabei die äußeren Gasschichten. Aus den Spuren, die bestimmte Stoffe im Licht hinterlassen, können Astronomen auf Eigenschaften dieser Atmosphäre schließen.
Bisher wurden solche Transits meist so ausgewertet, als bilde die Atmosphäre überall einen gleichmäßigen Ring. Doch auf heißen Gasplaneten können gewaltige Temperaturgegensätze und schnelle Winde auftreten. Wo am Planetenrand eine bestimmte Lichtspur entsteht, lässt sich aus einem über den gesamten Ring gemittelten Spektrum nicht erkennen.
Forscher der Cornell University um Dr. Lili Alderson haben deshalb den heißen Gasriesen WASP-17b genauer untersucht. Für ihre Analyse kombinierten sie Transitbeobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) aus mehreren Instrumenten. Dabei werteten sie Sternenlicht im Wellenlängenbereich von 0,6 bis 12 Mikrometern aus.
Der entscheidende Schritt ist ein neues Auswertungsverfahren namens „Transmission Strings“, also Transmissionsschnüre. Dabei berechnet ein mathematisches Modell, welcher Umriss des Planeten samt lichtabsorbierender Gashülle die gemessenen Helligkeitsänderungen während des Transits am besten erklärt. Statt nur eines gemeinsamen Radius liefert es Werte für verschiedene Winkel am Atmosphärenrand.
Das Team zerlegte die Beobachtungen dafür in 24 Wellenlängenbereiche. Aus den so gewonnenen Spektren lassen sich unterschiedliche Absorptionen an mehreren Stellen der Atmosphäre bestimmen. Dadurch wird nicht nur ein Vergleich der Morgen- und Abendseite möglich, sondern erstmals auch eine Kartierung vom Äquator in Richtung der Pole.
„Statt anzunehmen, dass die Atmosphäre ein Kreis mit überall gleichem Radius ist, können wir mit unserer Methode unterschiedliche Abstände vom Mittelpunkt bis zum Planetenrand bestimmen. Wir können also den Rand entlanggehen. So sind wir von einem Ring zu der Erkenntnis gelangt, wo sich die Edelsteine auf diesem Ring befinden, um es bildlich auszudrücken“, erklärt Dr. Lili Alderson.
Die Ergebnisse zeigen eine klare Asymmetrie: Am Abendrand ist die Atmosphäre stärker ausgedehnt als am gegenüberliegenden Morgenrand. Die aus den Spektren abgeleiteten Modelltemperaturen liegen bei rund 860 Kelvin auf der Morgenseite und etwa 1.520 Kelvin auf der Abendseite. Das entspricht einem Temperaturgefälle von ungefähr 650 Grad Celsius, allerdings mit erheblichen Unsicherheiten.
Heißeres Gas nimmt mehr Raum ein. Entsprechend ist die atmosphärische Skalenhöhe, ein Maß dafür, wie schnell der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt, am Abendrand laut der Modellanalyse etwa 1,8-mal so groß wie am Morgenrand. Damit verändert sich der lichtabsorbierende Rand der Gashülle, ohne dass die Form des Planeten selbst direkt gemessen worden wäre.
Eine plausible Erklärung liefern die Winde des Gasriesen: Sie transportieren Hitze von der ständig beleuchteten Tagseite in Richtung Nachtseite. Am Abendrand ist die Luft deshalb noch heiß, während sie auf ihrem Weg über die dunkle Hemisphäre abkühlt und den Morgenrand mit geringerer Temperatur erreicht. Dieses Muster stimmt mit früheren Modellen der planetaren Zirkulation überein.