Eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) zeigt, dass der Riesenexoplanet WASP-69b einen kometenartigen Schwanz trägt, der aus Heliumpartikeln besteht, die aus seinem Schwerefeld entweichen und von der ultravioletten Strahlung seines Sterns angetrieben werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Um die Atmosphäre des Riesen-Exoplaneten WASP-69b zu erfassen, verwendeten die Wissenschaftler das Instrument CARMENES, das auf dem 3,5 Meter hohen Teleskop des Calar Alto Observatoriums (in Almería, Spanien) installiert ist. Dieser Spektrograph deckt gleichzeitig den sichtbaren Wellenlängenbereich und das nahe Infrarot mit hoher spektraler Auflösung ab. Dadurch ist es gelungen, die Zusammensetzung der Atmosphäre dieses Exoplaneten zu enthüllen und Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit der Heliumpartikel zu ziehen, die das Schwerefeld des Planeten verlassen, sowie auf die Länge des von ihnen erzeugten Schwanzes.

Der Planet wurde während eines Transits beobachtet, als er vor seinem Wirtsstern vorbeikam. Während dieses Ereignisses verdunkeln der Planet und seine Atmosphäre einen Teil des Sternenlichts. “Wir haben eine stärkere und länger anhaltende Dämpfung des Sternenlichts in einem Bereich des Spektrums beobachtet, in dem Heliumgas Licht absorbiert”, sagt Lisa Nortmann, Forscherin am IAC und Hauptautorin des heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikels. “Die längere Dauer dieser Absorption erlaubt es uns, die Anwesenheit eines Schwanzes abzuleiten”, fügt sie hinzu.

Aber dies ist nicht das einzige Ergebnis, das im Artikel beschrieben wird. Die Autoren haben auch vier andere Planeten in ähnlicher Weise analysiert. Dies sind die heißen Exoplaneten HD 189733b und HD 209458b, die eine ähnliche Masse wie Jupiter aufweisen, der extrem heiße Riesenplanet KELT-9b und der warme neptungroße Exoplanet GJ 436b. Die Analyse zeigt keine ausgedehnten Heliumexosphären um die letzten drei Planeten herum, was den bisherigen theoretischen Vorhersagen widerspricht. Die heiße Jupiter HD 189733b hingegen zeigt ein klares Signal der Heliumaufnahme, obwohl hier die Heliumhülle kompakter ist und keinen Schwanz bildet.

Das Team untersuchte auch die Wirtssterne der fünf Exoplaneten mit Daten aus der Multi-Mirror-Röntgenmission (ESA XMM-Newton) der Europäischen Weltraumorganisation. Sie entdeckten Helium in der Atmosphäre jener Planeten, die die größte Menge an Röntgen- und extrem ultravioletter Strahlung von ihren Wirtssternen erhalten. “Dies ist ein erster großer Schritt, um herauszufinden, wie sich Exoplaneten-Atmosphären im Laufe der Zeit entwickeln und woraus sich die Verteilung der Massen und Radien der beobachteten Population von Super-Erd- und Mini-Neptun-Planeten ergeben könnte”, sagt Enric Pallé, IAC-Forscher und Co-Autor der Publikation.

Die Ergebnisse solcher Studien konnten bestätigen, dass extreme Strahlung vom Wirtsstern die gasförmige Hülle von Riesenplaneten (ähnlich Jupiter oder Neptun) ausräumen und in felsige Planeten mit einer ähnlichen Dichte wie Venus oder Erde verwandeln kann. “In der Vergangenheit basierten Studien zur atmosphärischen Flucht, wie wir sie in WASP-69b gesehen haben, auf weltraumgestützten Beobachtungen von Wasserstoff im fernen Ultraviolett, einem Spektralbereich mit sehr begrenztem Zugang und starker interstellarer Absorption”, sagt Michael Salz, Forscher an der Universität Hamburg und Erstautor einer Begleitpublikation desselben Teams, die sich auf die Details der Detektion in HD 189733b konzentriert, die in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wird. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass Helium ein vielversprechender neuer Tracer ist, um die atmosphärische Flucht in Exoplaneten zu untersuchen.”

Diese neue Forschungslinie wird es der Gemeinschaft von Forschern, die sich auf die Charakterisierung von Exoplanetenatmosphären spezialisiert haben, ermöglichen, die Verdampfungsprozesse in einer großen Anzahl von Planeten zu vergleichen und Fragen zu beantworten, wie z.B. ob Planeten mit ultrakurzen Umlaufzeiten tatsächlich die verdampften Kerne alter heißer Jupiter sind.

Das CARMENES-Instrument wurde von einem Konsortium aus elf spanischen und deutschen Institutionen, einschließlich der IAC, entwickelt. Es wurde entwickelt, um nach terrestrischen Planeten in der bewohnbaren Zone der M-Sterne zu suchen, der Region um einen Stern, in der die Bedingungen die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichen. Die heute veröffentlichten Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Instruments, einen signifikanten Beitrag zur Erforschung der exoplanetischen Atmosphäre zu leisten.

Mehr Informationen:
L. Nortmann el al., “Bodengestützter Nachweis einer erweiterten Heliumatmosphäre im Saturn-Massenexoplaneten WASP-69b”, Science (2018). science.sciencemag.org/lookup/ … 1126/science.aat5348