JWST weist Atmosphäre auf heißer Lavawelt nach

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Wie die frühe Erde: James-Webb-Teleskop findet Atmosphäre auf glühender Lavawelt

Von: Tanja Banner

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Das James-Webb-Teleskop weist auf der heißen Super-Erde HD 3167b eine Atmosphäre nach. Die Entdeckung liefert Parallelen zur jungen Erde.

Chicago – Im gesamten beobachtbaren Universum ist bisher nur ein einziger Himmelskörper bekannt, der nachweislich Leben beherbergt: unsere Erde. Als kleiner, kompakter Gesteinsplanet zieht sie in der habitablen Zone ihre Bahnen, wo flüssiges Wasser auf der Oberfläche existieren kann. Auf der Suche nach Biosignaturen im All richtet sich der Blick der Astronomie daher vor allem auf erdähnliche Welten mit einer stabilen Gashülle.

Die Realität unter den mehr als 6.300 katalogisierten Exoplaneten ist jedoch ernüchternd: Gesteinsplaneten machen nur einen Bruchteil der Funde aus – und die allermeisten von ihnen haben ihre ursprüngliche Atmosphäre längst durch intensive Sternstrahlung verloren. Nun meldet ein Forschungsteam um Brandon Park Coy von der University of Chicago im renommierten Fachblatt The Astrophysical Journal Letters einen überraschenden Erfolg: Auf der Super-Erde HD 3167b konnte eine schützende Gashülle nachgewiesen werden.

Wärmebilanz im Visier: Infrarotmessungen des James-Webb-Teleskops

Der Exoplanet HD 3167b ist der Wissenschaft zwar bereits seit 2016 bekannt, doch erst neue Messungen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) brachten die entscheidende Wende. Die Forschenden analysierten die thermische Strahlung des rund 154 Lichtjahre entfernten Himmelskörpers.

Das Besondere: HD 3167b befindet sich in gebundener Rotation – eine Hemisphäre ist permanent dem Stern zugewandt, während auf der Nachtseite ewige Finsternis herrscht. Die Messdaten zeigten nun, dass die Tagseite deutlich kühler ist als physikalisch vorhergesagt. Für das Forschungsteam ist dieser Kühleffekt ein klares Indiz dafür, dass eine dichte Atmosphäre Wärme über die Planetenoberfläche verteilt und die Glut abmildert. Um die genaue molekulare Zusammensetzung zu entschlüsseln, bereitet das Team bereits spektroskopische Folgeanalysen vor.

Photoevaporation überstanden: Warum die Atmosphäre dem Sternenwind trotzt

Die Existenz einer Gashülle um HD 3167b stellt bisherige Modelle vor Herausforderungen. Mit einer Umlaufzeit von weniger als einem Erdentag kreist der Planet extrem nah an seinem orangefarbenen Zentralstern. „Je näher ein Planet seinen Stern umkreist, desto schwieriger sollte es sein, eine Atmosphäre zu haben“, betont Edwin Kite, ein Co-Autor der Studie. Auf solch engen Bahnen bombardieren hochenergetische Photonen und Sternwinde die Hülle, was in der Regel zu einem vollständigen Atmosphärenverlust (Photoevaporation) führt.

Dass HD 3167b dennoch eine Hülle besitzt, macht ihn zu einem astronomischen Schlüsselfall. Er ist erst der fünfte extrasolare Gesteinsplanet mit einer nachgewiesenen Atmosphäre – und unter diesen fünf extrem heißen Welten die mit Abstand kühlste bekannte Lavawelt.

Steckbrief und Besonderheiten des Exoplaneten HD 3167b

Distanz: ca. 154 Lichtjahre im Sternbild Fische

Klassifikation: Super-Erde / Lavawelt (ca. 1,6 Erdradien, ca. 5 Erdmassen)

Orbitalperiode: weniger als 24 Stunden (0,96 Erdentage)

Architektur: Ungewöhnliches Mehrfachsystem – während HD 3167b in der Äquatorebene kreist, bewegen sich äußere Begleiter auf stark geneigten, fast polaren Umlaufbahnen

Magma-Ozeane und sekundäre Atmosphären: Ein Spiegel der Ur-Erde

Die Astronomie unterscheidet zwischen primären Atmosphären (Wasserstoff und Helium aus der Entstehungsphase) und sekundären Hüllen. Bei extrem heißen Lavawelten gehen Forschende davon aus, dass die beobachtete Gashülle kontinuierlich durch das Ausgasen eines flüssigen Magma-Ozeans regeneriert wird – flüchtige Mineralgase, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid steigen aus der glühenden Schmelze auf.

Die Forschung sei an diesen heißen Lavawelten besonders interessiert, „weil wir denken, dass die frühe Erde möglicherweise einer Lavawelt sehr ähnlich gewesen sein könnte“, sagt Coy. Lavawelten werden so genannt, weil die Forschung davon ausgeht, dass ihre Oberfläche wahrscheinlich aus geschmolzenem Gestein besteht.

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Atmosphärenforschung mit dem JWST: Bahnbrechende Meilensteine

Die Wissenschaft geht bisher davon aus, dass die Gesteinsplaneten im Sonnensystem nach ihrer Entstehung sehr heiß waren, da sie unzähligen Kollisionen ausgesetzt waren. Die Erde hatte der Forschung zufolge eine Phase, in der sie aus einem Magma-Ozean mit einer komplett flüssigen Oberfläche bestand. „Dieses Ergebnis gibt uns einen Einblick in die Erforschung der Bedingungen, wie sie in den ersten paar Millionen Jahren der Erde geherrscht haben könnten“, betont Coy.