Forscher, die das James Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA nutzen, haben möglicherweise eine Atmosphäre um 55 Cancri e, einen felsigen Exoplaneten, der 41 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, entdeckt. Diese Entdeckung gilt als der bisher überzeugendste Beweis für eine Atmosphäre um einen felsigen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.
55 Cancri e, auch Janssen genannt, 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 Super-Erde klassifiziert: größer als die Erde, aber kleiner als Neptun und wahrscheinlich ähnlich in der Zusammensetzung wie die felsigen Planeten unseres Sonnensystems.
Die Bezeichnung "felsig" könnte jedoch einen falschen Eindruck vermitteln. Der Planet umkreist seinen Stern so nah - etwa 2,25 Millionen Kilometer entfernt oder ein Fünfundzwanzigstel der Distanz zwischen Merkur und der Sonne -, dass seine Oberfläche wahrscheinlich geschmolzen ist – ein brodelnder Ozean aus Magma. Aufgrund dieser engen Umlaufbahn ist der Planet wahrscheinlich auch tidally locked, was bedeutet, dass eine Seite ständig dem Stern zugewandt ist und eine Nachtseite in ewiger Dunkelheit verharrt.
Trotz zahlreicher Beobachtungen, seit der Planet 2011 entdeckt wurde, blieb die Frage, ob 55 Cancri e eine Atmosphäre hat – oder sogar haben könnte, angesichts seiner hohen Temperatur und der ständigen Einwirkung von Sternenstrahlung und -wind – unbeantwortet.
„Ich arbeite seit mehr als einem Jahrzehnt an diesem Planeten“, sagte Diana Dragomir, eine Forscherin für Exoplaneten an der University of New Mexico in den USA und Mitautorin der Studie. „Es war wirklich frustrierend, dass keine der Beobachtungen, die wir erhalten haben, diese Rätsel robust gelöst hat. Ich bin begeistert, dass wir endlich einige Antworten bekommen!“
Anders als die Atmosphären von Gasriesen, die relativ leicht zu erkennen sind (die erste wurde vor mehr als zwei Jahrzehnten mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA entdeckt), sind dünnere und dichtere Atmosphären, die felsige Planeten umgeben, schwer fassbar geblieben.
Frühere Studien von 55 Cancri e mit Daten des mittlerweile stillgelegten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA deuteten auf das Vorhandensein einer erheblichen Atmosphäre hin, reich an flüchtigen Stoffen wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid. Die Forscher konnten jedoch eine andere Möglichkeit nicht ausschließen: dass der Planet kahl ist, abgesehen von einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein, reich an Elementen wie Silizium, Eisen, Aluminium und Kalzium.
„Der Planet ist so heiß, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampfen sollte“, erklärte Hu.
Ein thermisches Emissionsspektrum des Exoplaneten 55 Cancri e – aufgenommen durch das NIRCam-Instrument, den GRISM-Spektrografen und das MIRI-Spektrometer mit niedriger Auflösung auf dem Webb-Teleskop der NASA – zeigt, dass der Planet möglicherweise von einer Atmosphäre umgeben ist, die reich an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid und anderen flüchtigen Stoffen ist.
Um zwischen den beiden Möglichkeiten zu unterscheiden, verwendete das Team Webb's NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument), um Infrarotlicht im Bereich von 4 bis 12 Mikron zu messen, das vom Planeten kommt.
Obwohl Webb kein direktes Bild von 55 Cancri e einfangen kann, kann es subtile Veränderungen im Licht des Systems messen, während der Planet den Stern umkreist.
Indem sie die Helligkeit während der sekundären Finsternis, wenn der Planet hinter dem Stern ist (nur Sternenlicht), von der Helligkeit abziehen, wenn der Planet neben dem Stern ist (Licht von Stern und Planet kombiniert), konnte das Team die Menge verschiedener Wellenlängen des Infrarotlichts berechnen, das von der Tagseite des Planeten kommt.
Diese Methode, bekannt als sekundäre Finsternisspektroskopie, ist ähnlich der, die von anderen Forschungsteams verwendet wird, um nach Atmosphären auf anderen felsigen Exoplaneten, wie TRAPPIST-1 b, zu suchen.
Die erste Anzeige dafür, dass 55 Cancri e eine erhebliche Atmosphäre haben könnte, stammte von Temperaturmessungen auf Grundlage seiner thermischen Emission oder der Wärmeenergie, die in Form von Infrarotlicht abgegeben wird. Wenn der Planet mit dunklem geschmolzenem Gestein bedeckt wäre, mit einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein oder gar keiner Atmosphäre, sollte die Tagseite etwa 2200 Grad Celsius betragen.
„Stattdessen zeigten die MIRI-Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 1540 Grad Celsius“, sagte Hu. „Das ist ein sehr starkes Indiz dafür, dass Energie von der Tagseite zur Nachtseite verteilt wird, höchstwahrscheinlich durch eine Atmosphäre, die reich an flüchtigen Stoffen ist.“ Während Ströme aus Lava etwas Wärme zur Nachtseite transportieren können, können sie dies nicht effizient genug erklären, um den Kühleffekt zu erklären.
Als das Team die NIRCam-Daten ansah, sahen sie Muster, die mit einer von flüchtigen Stoffen reichen Atmosphäre übereinstimmten.
„Wir sehen Hinweise auf einen Dip im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikron – weniger dieses Licht erreicht das Teleskop“, erklärte der Mitautor Aaron Bello-Arufe, ebenfalls von JPL. „Das deutet auf das Vorhandensein einer Atmosphäre hin, die Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid enthält, die beide diese Wellenlängen des Lichts absorbieren.“ Ein Planet ohne Atmosphäre oder eine Atmosphäre, die nur aus verdampftem Gestein besteht, würde dieses spezifische spektrale Merkmal nicht aufweisen.
„Das ist aufregende Nachrichten“, sagte Mitautorin Yamila Miguel vom Leiden-Observatorium und dem Niederländischen Institut für Weltraumforschung (SRON), beide in den Niederlanden. „Wir haben die letzten zehn Jahre damit verbracht, verschiedene Szenarien zu modellieren und zu versuchen, uns vorzustellen, wie diese Welt aussehen könnte. Endlich eine Bestätigung unserer Arbeit zu bekommen, ist unbezahlbar!“
Die Teammitglieder denken, dass die Gase, die 55 Cancri e umhüllen, aus dem Inneren aufsteigen würden, statt seit der Entstehung des Planeten vorhanden zu sein.
„Die ursprüngliche Atmosphäre wäre aufgrund der hohen Temperaturen und der intensiven Strahlung des Sterns längst verschwunden“, sagte Bello-Arufe. „Es wäre eine sekundäre Atmosphäre, die kontinuierlich durch den Magmaozean ergänzt wird. Magma besteht nicht nur aus Kristallen und flüssigem Gestein; es gibt auch viel gelöstes Gas darin.“
Wahrscheinlich wäre jede Atmosphäre, die den Planeten umgibt, komplexer und aufgrund der Wechselwirkungen mit dem Magmaozean recht variabel. Neben Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid könnte es Gase wie Stickstoff, Wasserdampf, Schwefeldioxid, etwas verdampftes Gestein und sogar kurzlebige Wolken aus winzigen Lavatröpfchen geben, die aus der Luft kondensiert sind.
Obwohl 55 Cancri e viel zu heiß ist, um bewohnbar zu sein, denken Forscher, dass er ein einzigartiges Fenster bieten könnte, um die Wechselwirkungen zwischen den Atmosphären, Oberflächen und Inneren von felsigen Planeten zu studieren und möglicherweise Einblicke in die frühe Erde, Venus und Mars zu gewähren, von denen angenommen wird, dass sie in der Vergangenheit von Magmaozeanen bedeckt waren.
„Letztendlich wollen wir verstehen, welche Bedingungen es einem felsigen Planeten ermöglichen, eine gasreiche Atmosphäre zu erhalten: eine wichtige Voraussetzung für einen bewohnbaren Planeten“, sagte Hu.
Diese Forschung wurde als Teil von Webbs General Observers (GO) Program 1952 durchgeführt. Die Analyse zusätzlicher Beobachtungen der sekundären Finsternis von 55 Cancri e ist derzeit im Gange. In Zukunft hofft das Team, mit Webb eine vollständige Phasenkurve aufzuzeichnen, um Temperaturunterschiede von einer Seite des Planeten zur anderen zu kartieren, um ein besseres Verständnis für das Wetter, das Klima und detailliertere atmosphärische Bedingungen des Planeten zu erhalten.
Ein thermisches Emissionsspektrum, das von Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) im November 2022 und MIRI (Mid-Infrared Instrument) im März 2023 aufgenommen wurde, zeigt die Helligkeit (y-Achse) verschiedener Wellenlängen des von der Super-Erde 55 Cancri e emittierten Infrarotlichts (x-Achse). 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 an verdampftem Gestein.
Das Diagramm vergleicht Daten, die von NIRCam (orangefarbene Punkte) und MIRI (lila Punkte) gesammelt wurden, mit zwei verschiedenen Modellen. Modell A, in Rot dargestellt, zeigt, wie das Emissionsspektrum von 55 Cancri e aussehen sollte, wenn es eine Atmosphäre aus verdampftem Gestein hätte. Modell B, in Blau dargestellt, zeigt, wie das Emissionsspektrum aussehen sollte, wenn der Planet eine flüchtige reiche Atmosphäre hätte, die aus einem Magmaozean mit einem flüchtigen Gehalt ähnlich dem der Erdkruste ausgestoßen wird. Sowohl MIRI- als auch NIRCam-Daten stimmen mit dem flüchtigen reichen Modell überein.
Die Menge an mittlerem Infrarotlicht, das vom Planeten emittiert wird (MIRI), zeigt, dass seine Tagseitentemperatur deutlich niedriger ist, als sie wäre, wenn er keine Atmosphäre hätte, um Wärme von der Tagseite zur Nachtseite zu verteilen. Der Dip im Spektrum zwischen 4 und 5 Mikron (NIRCam-Daten) lässt sich durch die Absorption dieser Wellenlängen durch Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidmoleküle in der Atmosphäre erklären.
Das Spektrum wurde erstellt, indem die Helligkeit des 4- bis 5-Mikron-Lichts mit dem NIRCam GRISM-Spektrometer und des 5- bis 12-Mikron-Lichts mit dem MIRI-Spektrometer mit niedriger Auflösung gemessen wurde, bevor, während und nachdem der Planet hinter seinem Stern vorbeizog (die sekundäre Finsternis). Die Menge jeder Wellenlänge, die vom Planeten emittiert wurde (y-Achse), wurde berechnet, indem die Helligkeit des Sterns allein (während der sekundären Finsternis) von der Helligkeit des Sterns und des Planeten kombiniert (vor und nach der Finsternis) subtrahiert wurde. Jede Beobachtung dauerte etwa acht Stunden.
Beachten Sie, dass die NIRCam-Daten vertikal verschoben wurden, um sie mit Modell B in Einklang zu bringen. Obwohl die Unterschiede in der Helligkeit zwischen den einzelnen Wellenlängen im NIRCam-Band aus der Beobachtung abgeleitet wurden (die Daten deuten auf ein Tal zwischen 4 und 5 Mikron hin), konnte die absolute Helligkeit (die vertikale Position dieses Tals) aufgrund des Rauschens in den Daten nicht genau gemessen werden.
