Die Entdeckung des einzigartigen Exoplaneten TOI-561 b - Mode Popup Store

Bis vor kurzem schien das Wort „Exoplanet“ mehr der Spekulation als der Astronomie zu entstammen. Isaac Newton hatte bereits im Scholium Generale seiner Principia Mathematica angedeutet, dass die Fixsterne das Zentrum ähnlicher Systeme wie unseres sein könnten. Allerdings benötigte die Wissenschaft Jahrhunderte, um dies zu bestätigen. Erst Ende der 1980er Jahre tauchten die ersten Hinweise auf Planeten außerhalb des Sonnensystems auf, und es dauerte bis 1992, bis die Existenz von Welten jenseits der Sonne, die den Pulsar PSR B1257+12 umkreisen, zum ersten Mal nachgewiesen wurde.

In den letzten Jahrzehnten hat sich der Entdeckungsdrang erheblich beschleunigt, dank immer präziserer Instrumente, die es uns ermöglichten, Welten zu finden, die ebenso merkwürdig wie faszinierend sind. Der Weltraumteleskop Kepler identifizierte vor über einem Jahrzehnt den Kepler-16b, einen Planeten mit „zwei Sonnen“, der an Tatooine aus Star Wars erinnert. Seither haben wir eine enorme Vielfalt an Exoplaneten katalogisiert.

Der James-Webb-Weltraumteleskop präsentiert nun jedoch eine besonders auffällige Entdeckung: eine kochende Lava-Welt, die zur Überraschung der Astronomen kühler ist als die theoretischen Modelle vorhersagten.

Ein extremer Planet, der unser Wissen infrage stellt

TOI-561 b hat einen Durchmesser von etwa 1,4 Mal dem der Erde und ist eine extreme Supererde, die eine etwa 280 Lichtjahre entfernte Stern im Sternbild Sextans umkreist. Die NASA beschreibt ihn als den innersten Planeten eines Systems, das aus vier Welten besteht, und hebt eine sofort ins Auge fallende Besonderheit hervor: Seine Umlaufzeit beträgt weniger als elf Stunden. Seine Nähe ist so extrem — nur 0,01 astronomische Einheiten — dass die Tagesseite weit über dem Schmelzpunkt der Gesteine liegen muss. Es deutet alles darauf hin, dass es sich um einen Planeten handelt, der in einer Gezeitensperre an seinen Stern gebunden ist, mit einer ewigen Tagesseite und einer ewigen Nachtseite.

Eines der merkwürdigsten Merkmale, das die Forscher verwirrt, ist die geringe Dichte von TOI-561 b. Die Astronomin Johanna Teske, Hauptautorin der Studie, erklärt: „Es handelt sich hierbei nicht um einen Super-Puff, aber er ist weniger dicht als man für eine ähnliche Zusammensetzung wie die der Erde erwarten würde“. Das Team erwog, dass der Planet einen kleinen Eisenkern und einen Mantel aus weniger kompakten Mineralien haben könnte, eine Möglichkeit, die mit der Chemie seines Sterns übereinstimmen würde. Da es sich um einen sehr alten G-Typ-Stern handelt, der etwa 10 Milliarden Jahre alt und eisenarm ist und sich in der dicken Scheibe der Milchstraße befindet, ist es plausibel, dass der Planet in einer anderen primordialen Umgebung als dem Sonnensystem entstanden ist.

Trotzdem löste die exotische Zusammensetzung nicht alle Rätsel, und das Team begann, eine weitere Möglichkeit in Betracht zu ziehen: dass TOI-561 b von einer dichten Atmosphäre umhüllt sein könnte. Dies ist bemerkenswert, da Modelle darauf hindeuten, dass kleine Planeten, die über Milliarden von Jahren einer so intensiven Bestrahlung ausgesetzt sind, ihre Gase längst verloren haben sollten. Die NASA erinnert jedoch daran, dass einige Welten dieser Art Anzeichen dafür zeigen, dass sie keine nackten Felsen sind. Dieses Detail öffnete die Tür zur Hypothese, dass die niedrige Dichte teilweise auf ein durch eine substanzielle Gasschicht aufgeblähtes Volumen zurückzuführen sein könnte.

Ein überraschendes Ergebnis

Um die Idee einer dichten Atmosphäre zu testen, wandte sich das Team einer Technik zu, die James Webb bereits bei anderen erdähnlichen Welten genutzt hatte: der Messung des Abfalls eines Teils des Infrarotlichts, wenn der Planet hinter seinem Stern vorbeizieht. Mit dem NIRSpec-Spektrograph schätzten die Forscher die Temperatur der beleuchteten Hemisphäre und verglichen sie mit der erwarteten Temperatur einer Oberfläche ohne Gase, die Wärme verteilen können. Wenn TOI-561 b ein nackter Fels wäre, würde seine Temperatur etwa 2.700 °C betragen. Die Beobachtungen ergaben jedoch einen Wert von etwa 1.800 °C, eine zu große Abweichung, um ignoriert zu werden.

Die unerwartet niedrige Temperatur ergibt Sinn, wenn TOI-561 b von einer dichten, flüchtigen Atmosphäre umhüllt ist. In diesem Fall würden die Winde die Wärme von der beleuchteten Hemisphäre in kühlere Bereiche transportieren und die Infrarotstrahlung reduzieren, die das Teleskop einfängt. Auch Gase, die einen Teil der Strahlung absorbieren können, bevor sie ins All entweicht, spielen hierbei eine Rolle, was mit den beobachteten Modellen übereinstimmt. Es ist sogar möglich, dass Silikatewolken existieren, die das Licht des Sterns reflektieren und zur Abkühlung der oberen Atmosphärenschichten beitragen.

Um zu erklären, wie TOI-561 b eine so resistente Atmosphäre aufrechterhält, schlagen die Forscher einen Mechanismus vor, in dem Magma und Gase im ständigen Austausch stehen. Tim Lichtenberg weist darauf hin, dass, während das Innere flüchtige Verbindungen an die Atmosphäre abgibt, der Ozean aus geschmolzenem Gestein einen Teil davon wieder einfangen kann, wodurch der Verlust ins All reduziert wird. Dieser Prozess erfordert einen Planeten, der außergewöhnlich reich an flüchtigen Substanzen ist, was ihn in seiner ursprünglichen Zusammensetzung stark vom Erdboden unterscheidet. In Lichtenbergs Worten wäre es „wie eine feuchte Lava-Ball“, eine Beschreibung, die die extreme Natur dieser Entdeckung gut zusammenfasst.

Eine neue Perspektive

Die Beobachtungen, die es ermöglichten, dieses Szenario zu rekonstruieren, stammen aus dem Programm General Observers 3860 des James Webb. Über mehr als 37 Stunden hinweg beobachtete das Teleskop das System kontinuierlich, während TOI-561 b beinahe vier vollständige Umläufe vollendete, eine Aufzeichnung, die einen außergewöhnlichen Einblick in die Helligkeitsänderung während der Reise bietet. Mit diesem großen Mengen an Daten analysiert das Team nun, wie sich die Temperatur um den Planeten herum verändert und welche Hinweise dies auf die Zusammensetzung seiner Atmosphäre gibt. Diese Datensätze, die noch analysiert werden, deuten auf eine komplexere Welt hin, als zunächst vermutet.

Der Fall von TOI-561 b zeigt, dass selbst die extremsten Welten Überraschungen bergen können. Statt einfach nur ein verbrannter Felsen zu sein, beschreibt das Webb die Interaktion eines dynamischen Systems, in dem Magma, Atmosphäre und Sternstrahlung auf Weisen interagieren, die wir noch nicht vollständig verstehen. Wie Johanna Teske anmerkt: „Das wirklich Aufregende ist, dass dieses neue Datenset noch mehr Fragen aufwirft, als es beantwortet“. Die Forschung geht weiter, und jede neue Analyse scheint zu bestätigen, dass dieser Planet einer Kategorie angehört, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.