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Barium auf Gasriesen entdeckt Rätselraten über Element in Atmosphäre von Exoplaneten

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Künstlerische Darstellung eines ultraheißen Exoplaneten, der kurz vor dem Transit vor seinem Wirtsstern steht.

(Foto: ESO/M. Kornmesser)

Bei zwei riesigen Planeten in vielen hundert Lichtjahren Entfernung stoßen Forschende auf etwas Unerwartetes: Sie entdecken das Element Barium in der oberen Atmosphäre. Doch bisher gibt es keine plausible Erklärung dafür, wie der schwere Stoff dort hingelangt ist.

Die beiden Exoplaneten WASP-76b und WASP-121b enthalten in ihrer Hochatmosphäre das schwere Element Barium. Das zeigen hochauflösende Spektren, die am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile gewonnen wurden. Es ist das bislang schwerste Element, das in der Atmosphäre von Planeten bei anderen Sternen nachgewiesen werden konnte. Und es stellt die Astronomen vor ein Problem: Bei der starken Anziehungskraft der beiden Planeten sollten sich keine derart schweren Stoffe hoch in der Atmosphäre befinden, schreiben die Entdecker im Fachblatt "Astronomy & Astrophysics".

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Diese Illustration zeigt die Nachtseitenansicht des Exoplaneten WASP-76 b. Auf der Tagseite (auf der linken des Bildes ist der Übergang zwischen beiden Seiten dargestellt) wird es bis über 2400 Grad Celsius heiß. Dort verdampfen sogar Metalle. Starke Winde tragen den Eisendampf auf die kühlere Nachtseite, wo er kondensiert und als Eisen-Regen niedergeht.

(Foto: ESO/M. Kornmesser)

"Das Barium sollte sehr schnell aus der oberen Atmosphäre nach unten absinken", erläutert Olivier Demangeon von der Universität Porto in Portugal. "Im Augenblick haben wir keine Ahnung, welcher Mechanismus dieses Element in die Höhe transportiert."

Bei den beiden 640 und 860 Lichtjahre von der Erde entfernten Planeten handelt es sich um "heiße Jupiter" - Gasplaneten also, die bezüglich Größe und Masse dem Jupiter in unserem Sonnensystem ähneln. Sie umkreisen ihren Zentralstern jedoch mit einer Umlaufzeit von weniger als zwei Tagen auf einer sehr engen Bahn. Durch die Nähe des Sterns beträgt die Temperatur der Atmosphären etwa 2000 Grad Celsius.

Solche Planeten sind für Astronomen besonders lohnende Beobachtungsobjekte. "Da sie hauptsächlich aus Gas bestehen und sehr heiß sind, besitzen sie ausgedehnte Atmosphären", sagt Demangeon, "deshalb können wir ihre Atmosphären sehr viel leichter beobachten und untersuchen als jene von kleineren und kühleren Planeten". Bei diesen Beobachtungen hilft den Himmelsforschenden zudem die Lage der Planetenbahnen: Sie sind gerade so orientiert, dass die Planeten von der Erde aus gesehen regelmäßig vor ihrem Zentralstern vorüberziehen.

Bei diesen "Transits" decken die Planeten einen Teil des Sterns ab und schwächen so sein Licht - und diese regelmäßigen Verdunkelungen helfen bei der Entdeckung der Planeten. Entscheidend für Untersuchungen wie die von Demangeon und seinen Kollegen ist dabei, dass ein kleiner Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des jeweiligen Planeten hindurch strahlt. In diesem Teil des Sternenlichts hinterlässt die Atmosphäre eine Art Fingerabdruck: Die Stoffe, aus denen die Atmosphäre besteht, absorbieren das Sternenlicht bei charakteristischen Wellenlängen.

Zunächst Zweifel an Entdeckung

Anhand dieser "Spektrallinien" können die Forschenden dann die Stoffe identifizieren, aus denen die Atmosphäre des Planeten besteht. Das ganze Verfahren ist allerdings aufwendig und kompliziert. Zunächst wird ein hochauflösender Spektrograph benötigt, ein spezielles Zusatzgerät am Teleskop, das die Strahlung in seine Wellenlängen zerlegt. Und dann müssen die Astronomen alle Einflüsse des Sterns und auch der irdischen Atmosphäre aus den Daten eliminieren.

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Demangeon und seine Kollegen konnten zunächst eine Vielzahl von Stoffen bestätigen, auf die bereits frühere Beobachtungen Hinweise geliefert hatten. Neu aufgespürt haben die Forschenden außerdem Kobalt und Strontium. Und dann stießen sie auf Spektrallinien von Barium - und zweifelten zunächst daran, dass diese tatsächlich von den Exoplaneten stammen. "Wir hatten nicht nach Barium gesucht", sagt Azevedo Silva von der Universität Porto, "denn wir haben dort kein Barium erwartet." Erst nach weiteren Überprüfungen waren die Wissenschaftler von ihrer überraschenden Entdeckung überzeugt.

Der Nachweis von Barium in den Atmosphären von gleich zwei heißen Jupitern deute nach Ansicht der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darauf hin, dass solche schweren Elemente häufig in den Atmosphären von extrem heißen Jupitern auftreten könnten. Es müsse bislang unbekannte atmosphärische Strömungen geben, die solche Stoffe in die Hochatmosphäre transportieren.

Quelle: ntv.de, Rainer Kayser, dpa

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