Webb findet zum ersten Mal Atmosphäre auf einem felsigen Exoplaneten

Gas, das von einer mit Lava bedeckten Oberfläche auf 55 Cancri e aufsteigt, kann eine kohlendioxid- oder kohlenmonoxidreiche Atmosphäre speisen.

Heutzutage scheint es keine große Sache zu sein, die Atmosphäre eines Planeten zu entdecken, der zehn oder sogar hunderte Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Wissenschaftler haben in den letzten zwei Jahrzehnten Hinweise auf Atmosphären gefunden, die Dutzende Exoplaneten umgeben. Das Problem besteht darin, dass alle diese Planeten eine dicke, von Wasserstoff dominierte Atmosphäre haben, die relativ einfach zu untersuchen ist. Die dünnen Gasschichten, die einige kleine, felsige Exoplaneten umgeben, sind bislang schwer zu fassen.

Forscher glauben, dass sie endlich einen Blick auf die reichhaltige, volatile Atmosphäre rund um einen Gesteinsplaneten erhaschen konnten. Licht aus heißen Bereichen ist stark strahlend Exoplanet 55 Cancrie liefert überzeugende Beweise für eine Atmosphäre, die möglicherweise reich an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid ist und aus einem riesigen Lavaozean strömen würde, der die Oberfläche des Planeten bedeckt.

Das Ergebnis ist der bisher beste Beweis für die Existenz einer Atmosphäre für einen Gesteinsplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet 55 Cancri e aussehen könnte. 55 Cancri e, auch Janssen genannt, ist eine sogenannte Supererde, ein Gesteinsplanet, der viel größer als die Erde, aber kleiner als Neptun ist und seinen Stern in einer Entfernung von nur 1,4 Millionen Meilen (0,015 AE) umkreist und dabei eine vollständige Umlaufbahn absolviert. In weniger als 18 Stunden. (Merkur ist 25-mal weiter von der Sonne entfernt als sein Stern, 55 Cancri e). Dieses System, zu dem auch vier große Gasriesenplaneten gehören, befindet sich etwa 41 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Krebs. Bildquelle: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Das Webb-Weltraumteleskop weist auf eine mögliche Atmosphäre hin, die einen felsigen Exoplaneten umgibt

Forscher nutzen NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop Möglicherweise haben sie atmosphärische Gase rund um 55 Cancri e entdeckt, einen heißen, felsigen Exoplaneten, der 41 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dies ist der bisher beste Beweis dafür, dass jeder Gesteinsplanet außerhalb unseres Sonnensystems über eine Atmosphäre verfügt.

Renew stammt vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (Labor für Strahlantriebe) in Pasadena, Kalifornien, ist der Hauptautor eines am 8. Mai veröffentlichten Artikels Natur. „Webb verschiebt die Grenzen der Charakterisierung von Exoplaneten bis hin zu Gesteinsplaneten“, sagte Hu. „Es ermöglicht wirklich eine neue Art von Wissenschaft.“

Superheiße Erde 55 Cancri E

55 Cancri e, auch bekannt als Janssen, ist einer von fünf bekannten Planeten, die den sonnenähnlichen Stern 55 Cancri im Sternbild Krebs umkreisen. Mit einem Durchmesser, der fast doppelt so groß ist wie der der Erde, und einer etwas größeren Dichte wird der Planet als Supererde klassifiziert: größer als die Erde und kleiner als die Erde. NeptunIhre Zusammensetzung ähnelt wahrscheinlich den Gesteinsplaneten unseres Sonnensystems.

Die Beschreibung der 55 Cancri e als „felsig“ könnte jedoch den falschen Eindruck hinterlassen. Der Planet umkreist seinen Stern in der Nähe (ungefähr 1,4 Millionen Meilen oder 20/25 der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne), und seine Oberfläche ist wahrscheinlich geschmolzen – ein brodelnder Ozean aus Magma. Bei einer so engen Umlaufbahn ist der Planet wahrscheinlich auch durch Gezeiten blockiert, wobei seine Tagseite jederzeit dem Stern zugewandt ist und seine Nachtseite in ständiger Dunkelheit liegt.

Trotz zahlreicher Beobachtungen seit der Entdeckung seines Transits im Jahr 2011 stellt sich die Frage, ob 55 Cancri e eine Atmosphäre hat oder nicht – oder überhaupt könnte Einer von ihnen blieb aufgrund seiner hohen Temperatur und des ständigen Angriffs von Sternstrahlung und Winden seines Sterns unbeantwortet.

„Ich arbeite seit mehr als einem Jahrzehnt auf diesem Planeten“, sagte Diana Dragomir, Exoplanetenforscherin an der University of New Mexico und Mitautorin der Studie. „Es war wirklich frustrierend, dass keines der Rückmeldungen, die wir erhalten haben, zu einer soliden Lösung dieser Rätsel geführt hat. Ich bin froh, dass wir endlich einige Antworten haben!“

Im Gegensatz zu den Atmosphären von Gasriesenplaneten, die relativ leicht zu erkennen sind ( Es wurde zum ersten Mal enthüllt Von der NASA Hubble-Weltraumteleskop Seit mehr als zwei Jahrzehnten sind die dünneren, dichteren Atmosphären, die Gesteinsplaneten umgeben, schwer zu fassen.

Frühere Studien zu 55 Cancri e, die Daten des inzwischen stillgelegten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA verwendeten, deuteten auf das Vorhandensein einer großen Atmosphäre hin, die reich an flüchtigen Stoffen (Molekülen, die auf der Erde in Gasform vorkommen) wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid ist. Aber die Forscher konnten eine andere Möglichkeit nicht ausschließen: dass der Planet leer ist, abgesehen von einer fragilen Decke aus verdampftem Gestein, reich an Elementen wie Silizium, Eisen, Aluminium und Kalzium. „Der Planet ist so heiß, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampft sein muss“, erklärte Ho.

Diese Lichtkurve zeigt die Änderung der Helligkeit des 55-Cancri-Systems, wenn sich der Gesteinsplanet 55-Cancri-e, der nächstgelegene der fünf bekannten Planeten im System, hinter dem Stern bewegt. Dieses Phänomen ist als sekundäre Sonnenfinsternis bekannt.
Wenn sich der Planet in der Nähe des Sterns befindet, erreicht Licht im mittleren Infrarotbereich sowohl vom Stern als auch von der Tagseite des Planeten das Teleskop und lässt das System heller erscheinen. Wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet, wird das Licht des Planeten blockiert und nur das Licht des Sterns erreicht das Teleskop, was zu einer Verringerung der scheinbaren Helligkeit führt.
Astronomen können die Helligkeit eines Sterns von der kombinierten Helligkeit des Sterns und des Planeten abziehen, um die Menge an Infrarotlicht zu berechnen, die von der Tagseite des Planeten kommt. Daraus wird dann die Tagestemperatur berechnet und daraus abgeleitet, ob der Planet eine Atmosphäre hat oder nicht.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Messen Sie subtile Unterschiede in Infrarotfarben

Um zwischen den beiden Möglichkeiten zu unterscheiden, verwendete das Team Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) und MIRI (Mittelinfrarotinstrument), um vom Planeten kommendes Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 4 bis 12 Mikrometern zu messen.

Obwohl Webb kein direktes Bild von 55 Cancri e machen kann, kann es subtile Veränderungen im Licht des Systems messen, während der Planet den Stern umkreist.

Durch Subtrahieren der Helligkeit während einer sekundären Sonnenfinsternis (siehe Bild oben), wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet (nur Sternenlicht), von der Helligkeit, wenn sich der Planet direkt neben dem Stern befindet (Licht von Stern und Planet zusammen), hat das Team konnte die Menge der unterschiedlichen Wellenlängen des Infrarotlichts berechnen, das von der Tagseite des Planeten kommt.

Diese als Sekundärfinsternisspektroskopie bekannte Methode ähnelt der Methode, mit der andere Forschungsteams nach Atmosphären auf anderen felsigen Exoplaneten wie TRAPPIST-1 b suchen.

Das thermische Emissionsspektrum, das im November 2022 von Webb NIRCam (Near Infrarot Camera) und im März 2023 von MIRI (Mid-Infrared Instrument) aufgenommen wurde, zeigt die Helligkeit (y-Achse) verschiedener Wellenlängen des emittierten Infrarotlichts (x-Achse). Durch den riesigen Exoplaneten 55 Cancri e. Das Spektrum zeigt, dass der Planet möglicherweise von einer Atmosphäre umgeben ist, die reich an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid und anderen flüchtigen Stoffen ist, nicht nur von verdampftem Gestein.
Die Grafik vergleicht die von NIRCam (orangefarbene Punkte) und MIRI (violette Punkte) gesammelten Daten mit zwei verschiedenen Modellen. Modell A zeigt in Rot, wie das Emissionsspektrum von 55 Cancri e aussehen würde, wenn es eine Atmosphäre aus verdampfendem Gestein hätte. Modell B zeigt in Blau, wie das Emissionsspektrum aussehen würde, wenn der Planet eine flüchtige Atmosphäre hätte, die von einem Magma-Ozean emittiert würde, dessen flüchtiger Gehalt dem des Erdmantels ähnelt. MIRI- und NIRCam-Daten stimmen mit dem flüchtigen Modell überein.
Die Menge des vom Planeten emittierten Lichts im mittleren Infrarotbereich (MIRI) zeigt, dass die Tagestemperatur viel niedriger ist, als wenn es keine Atmosphäre gäbe, die die Wärme von der Tag- zur Nachtseite verteilt. Der Abfall im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikrometern (NIRCam-Daten) kann durch die Absorption dieser Wellenlängen durch Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidmoleküle in der Atmosphäre erklärt werden.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (University of Chicago), Mantas Zielinskas (SRON)

Kälter als erwartet

Der erste Hinweis darauf, dass 55 Cancri e eine bedeutende Atmosphäre haben könnten, stammte aus Temperaturmessungen, die auf seiner thermischen Emission (siehe Bild oben) oder der in Form von Infrarotlicht emittierten Wärmeenergie basierten. Wenn der Planet von dunklem, geschmolzenem Gestein mit einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein oder überhaupt keiner Atmosphäre bedeckt wäre, müssten die Temperaturen auf der Tagseite etwa 4.000 Grad betragen F (~2200 Grad Celsius).

„Stattdessen zeigten die MIRI-Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 2.800 Grad Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]Er sagte. „Dies ist ein sehr starker Hinweis darauf, dass die Energie von der Tagseite zur Nachtseite verteilt wird, höchstwahrscheinlich durch eine volatile, reichhaltige Atmosphäre.“ Während Lavaströme etwas Wärme zur Nachtseite transportieren können, können sie diese nicht effizient genug transportieren, um den Kühleffekt zu erzielen.

Als das Team die NIRCam-Daten betrachtete, sahen sie Muster, die mit einer reichhaltigen, volatilen Atmosphäre im Einklang standen.

„Wir sehen Hinweise auf einen Abfall im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikrometern, und weniger von diesem Licht erreicht das Teleskop“, erklärte Co-Autor Aaron Bello-Aroff, ebenfalls vom NASA JPL. „Dies weist auf das Vorhandensein einer Atmosphäre hin, die Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid enthält und diese Lichtwellenlängen absorbiert.“ Ein Planet ohne Atmosphäre oder einer Atmosphäre, die nur aus verdampftem Gestein besteht, hätte dieses spezifische Spektralmerkmal nicht.

„Wir haben die letzten 10 Jahre damit verbracht, verschiedene Szenarien zu modellieren und uns vorzustellen, wie diese Welt aussehen könnte“, sagte Co-Autorin Yamila Miguel vom Observatorium Leiden und dem Niederländischen Institut für Weltraumforschung (SRON). „Endlich eine Bestätigung für unsere unschätzbare Arbeit!“

Blubbernder Magma-Ozean

Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Cancri e bedecken, aus dem Inneren austreten und nicht seit der Entstehung des Planeten vorhanden sind. „Die Kernatmosphäre wäre aufgrund der hohen Temperatur und der intensiven Strahlung des Sterns schon vor langer Zeit verschwunden“, sagte Bello-Arov. „Dies wird eine sekundäre Atmosphäre sein, die ständig durch den Magma-Ozean aufgefüllt wird. Magma besteht nicht nur aus flüssigen Kristallen und Gesteinen; es ist auch eine Menge Gas darin gelöst.

Während 55 Cancri e zu heiß ist, um bewohnbar zu sein, glauben Forscher, dass er ein einzigartiges Fenster zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre, den Oberflächen und dem Inneren von Gesteinsplaneten bieten und möglicherweise Einblicke in die frühen Erdbedingungen gewähren könnte. VenusUnd MarsEs wird angenommen, dass es in der fernen Vergangenheit von Magma-Ozeanen bedeckt war. „Letztendlich wollen wir verstehen, welche Bedingungen es einem Gesteinsplaneten ermöglichen, eine gasreiche Atmosphäre aufrechtzuerhalten: ein wesentlicher Bestandteil für einen bewohnbaren Planeten“, sagte Hu.

Diese Forschung wurde im Rahmen des General Observers (GO) Webb-Programms für 1952 durchgeführt. Weitere sekundäre Sonnenfinsternisbeobachtungen von 55 Cancri e werden derzeit analysiert.

Referenz: „Eine sekundäre Atmosphäre auf dem felsigen Exoplaneten 55 Cancri e“ von Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker und Bryce Olivier Demauri, 8. Mai 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst die Geheimnisse unseres Sonnensystems, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. WEB ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), geleitet wird.Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.