Seitdem Wissenschaftler Planeten um andere Sterne herum gefunden haben, stammen viele ihrer auffälligsten Entdeckungen von außerirdischen Instrumenten wie den Weltraumteleskopen Kepler und Hubble der NASA. Kepler hat mehr als 2.000 verifizierte Planeten identifiziert, die an ihren Sternen vorbeiziehen, während Hubble-Beobachtungen Wissenschaftlern geholfen haben, Exoplaneten-Atmosphären zu charakterisieren. Aber zwei neue Papiere, die heute (6. Dezember) in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, zeigen die Bewegung von Helium in fremden Atmosphären vom Komfort unseres Heimatplaneten aus.

Die beiden Forscherteams benutzten beide ein 3,5 Meter langes Teleskop im spanischen Calar Alto, um ihre Messungen durchzuführen – und nutzten dabei das leistungsstarke CARMENES-Instrument des Teleskops (kurz für Calar Alto High Resolution Search for M Zwerge mit Exoearths mit Nahinfrarot- und optischen Échelle-Spektrographen), um die Wirkung von Helium um die Planeten herum fein zu messen. [Die faszinierendsten Entdeckungen fremder Planeten von 2017]

“Dies ist das erste Mal, dass wir tatsächlich einen Heliumschwanz beobachten können”, sagte Lisa Nortmann, Hauptautorin eines der neuen Papiere und Forscherin am Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) in Spanien, gegenüber Space.com. In ihrem neuen Papier suchte Nortmanns Gruppe nach Helium in den äußeren Atmosphären mehrerer Planeten. Und einer, genannt WASP-69b, zeigte eine besonders dramatische Wirkung.

“Früher wurde angenommen, dass Helium, wenn es sich in der[äußersten atmosphärischen Schicht eines] Planeten befindet, entweichen und einen Schwanz bilden könnte. Das basierte auf Modellen, aber dies ist das erste Mal, dass wir es tatsächlich beobachten können, während es noch vor dem Stern steht, wenn der Planet nicht mehr vor dem Stern steht”, sagte sie. Obwohl WASP-69b etwa so groß wie Jupiter ist, sagte sie, hat es die Masse des Saturn, was bedeutet, dass es leichter und flauschiger ist als alle Planeten unseres Sonnensystems.

Die zweite Gruppe konzentrierte sich auf eine neptungroße Welt, die eine äußere Atmosphäre voller schneller Heliumatome zeigt, die von der energiereichen Strahlung des Wirtssterns weggesprengt wird. Forscher modellierten die Atmosphäre basierend auf ihren Beobachtungen, um festzustellen, ob dieses Helium den Planeten verließ.

Vor zwanzig Jahren gingen die Forscher davon aus, dass eine ausgeprägte Wellenlänge der Nahinfrarotstrahlung, die vom Helium absorbiert wird, wenn Licht durch das Gas strömt, verwendet werden könnte, um das Element in fernen Atmosphären zu verfolgen, sagte Nortmann. Aber erst kürzlich wurden Spektrographen, die die Wellenlängen des Lichts messen, präzise genug, um Helium in dieser Situation zu lokalisieren. Und deshalb haben Bodenteleskope einen unerwarteten Vorteil.

“Vom Boden aus können wir den Mars mit bloßen Augen sehen; wir können sagen, dass er da ist, aber nicht viel mehr”, fügte Nortmann per E-Mail hinzu. “Wenn wir jedoch ein Raumschiff schicken, können wir seine Oberfläche mit hoher Auflösung auflösen und Dinge lernen. Jetzt haben wir genau den umgekehrten Fall – vom Boden aus können wir viel mehr über das austretende Helium sagen, weil die Instrumentierung eine höhere Auflösung in der Wellenlänge und auch in der Zeit bietet.”

Der Carmenes-Spektrograph kann die absorbierte Wellenlänge fein messen, was zeigt, wann sich die Heliumatmosphäre vor dem Stern befindet und wie schnell sich das Helium auf die Erde zubewegt – denn Licht wird blauer, wenn es auf uns zugeht. Diese Maßnahme sagt den Forschern, ob sich das Helium schnell genug bewegt, um vom Planeten zu entkommen. Entweichende Exoplanetenatmosphären werden typischerweise mit einer ultravioletten Wellenlänge des mit Wasserstoff verbundenen Lichts gemessen, aber da ultraviolettes Licht von der Erdatmosphäre absorbiert wird, kann es nur mit Weltraumteleskopen gemessen werden. (Es wird auch vom interstellaren Medium absorbiert und kann daher schwerer zu erkennen sein.) Hubble kann zwar auch Helium erkennen, aber die Auflösung seiner Messung ist nicht so gut.

“Dies ist ein sehr seltsamer Fall, in dem bodengebundene Teleskope die Weltraumteleskope wirklich schlagen”, sagte Enric Palle, Co-Autor der Studie, ebenfalls von der IAC, gegenüber Space.com. “Und wir können eine Menge Informationen bekommen, die wir von Hubble nicht bekommen können.”

“Es gibt eine Eigenschaft, die extrem stark ist…. die uns viel darüber aussagt, wie sich die Atmosphären von[einigen] Exoplaneten im Laufe der Zeit entwickeln, diejenigen, die eine Hülle aus Wasserstoff und Helium haben und sich in der Nähe eines Sterns befinden, der einen starken Fluss im UV emittiert”, fügte er hinzu.

Palle stellte fest, dass mit der Geschwindigkeit, mit der das Helium verschwindet, der Planet schwinden kann, aber wahrscheinlich nicht vollständig während der Lebensdauer des Sterns verdunsten wird. Durch das Studium von WASP-69b und anderen ähnlichen Materialien können Wissenschaftler verstehen, wie gasförmige Planeten ihre Atmosphäre verlieren – und wie einige dieser Welten möglicherweise zu felsigen Planeten werden. (Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass das mit dieser Welt passiert.)

Jessica Spake, Forscherin an der University of Exeter in England und Mitautorin des zweiten Beitrags, sagte über die Beobachtung der Welt im Neptunformat durch ihre Gruppe: “Dies ist eine wirklich spannende Entdeckung, zumal Helium nur in Exoplanetenatmosphären zum ersten Mal Anfang des Jahres nachgewiesen wurde”. Spake’s Gruppe machte diese frühere Erkennung mit Hubble, obwohl die neu veröffentlichte Forschung der Gruppe den CARMENES-Spektrographen am Boden verwendete.

“Die Beobachtungen zeigen, dass Helium durch die Strahlung seines Wirtssterns vom Planeten weggestossen wird. Hoffentlich können wir diese neue Studie nutzen, um zu erfahren, welche Arten von Planeten große Hüllen von Wasserstoff und Helium haben und wie lange sie die Gase in ihrer Atmosphäre halten können”, sagte Spake in einer Erklärung.

“Im Allgemeinen,[diese Papiere zeigen] äußerst interessante Nachweise von Helium”, sagte Giovanna Tinetti, eine Forscherin am University College London, die die leitende Forscherin am kommenden Weltraumteleskop ARIEL der Europäischen Weltraumorganisation ist und nicht an diesen Studien beteiligt war, gegenüber Space.com. “Natürlich sind das Erkennungen einzelner Planeten; es wäre toll zu sehen, welche anderen Variationen entstehen, wenn man verschiedene Planeten vergleicht, und so freue ich mich darauf, in Zukunft weitere Erkennungen zu sehen, damit wir eine Vergleichsstudie zwischen allen Planeten beginnen können. [Helium ist] eine sehr, sehr wichtige Spezies, die man in der Atmosphäre entdecken kann, also ist es wirklich sehr aufregend.”

“Ich denke, Raum und Boden sind extrem komplementär, und idealerweise wollen wir wirklich beides haben, denn es gibt einige Dinge, die man vom Boden aus nicht tun kann, man braucht Raum und umgekehrt”, fügte Tinetti hinzu. “Und das ist ein perfektes Beispiel dafür.”

Aus dem Weltraum, sagte sie, kann man die weite Verbreitung der Wellenlängen sehen, die von verschiedenen Planeten emittiert werden, um einen Gesamtüberblick über die Atmosphäre eines Planeten zu erhalten. “Aber vom Weltraum aus sind die meisten Instrumente natürlich kleiner als das, was man vom Boden aus tun kann, und wenn man also an etwas interessiert ist, das hinsichtlich der Absorptionseigenschaften schwach oder sehr scharf ist, ist man am Boden besser dran”, sagte Tinetti. “Vom Boden aus kann man nicht wirklich alle Wellenlängen betrachten, denn wie man weiß, hat man seine Atmosphäre zwischen sich und den Beobachtungen, so dass man in diesem Sinne in Bezug auf die Wellenlängenabdeckung eingeschränkter ist. Aber Sie haben die Möglichkeit, wann immer Sie etwas Zeit haben, sich für einzelne, sehr scharfe Features zu entscheiden. Im Idealfall willst du wirklich beides haben.”

In Zukunft sieht Palle Bodenspektrographen als ein wichtiges Werkzeug zur Charakterisierung von Exoplanetenatmosphären.

“Ich denke, das ist es, was auch als allgemeiner Fall für die Atmosphäre extrasolarer Planeten geschehen wird[mit] der Ankunft der extrem großen Teleskope, des TMT (Thirty Meter Telescope), des GMT (Giant Magellan Telescope) und des ELT (Extremely Large Telescope)”, sagte Palle. Diese Instrumente “werden über riesige Sammelgebiete verfügen, diese Techniken nutzen können und die Atmosphäre erdgröße Planeten erforschen können”.

Auch wenn diese Teleskope durch die Erdatmosphäre blicken werden, so sagte er mit einer hochgenügenden Auflösung auf dem Spektrographen, werden die Forscher in der Lage sein, Wasserdampf und Sauerstoff auf einem Exoplaneten beispielsweise von solchen Substanzen in unserer eigenen Atmosphäre zu unterscheiden, die alle auf sehr feinen Details im gemessenen Spektrum basieren. Ein Teleskop wie das ELT könnte Atmosphären auf felsigen Planeten im TRAPPIST-1-System messen, um beispielsweise in nur fünf Nächten der Beobachtung nach Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid zu suchen, sagte er.

“In 10-15 Jahren, plus oder minus fünf Jahre, werden die ELTs bereit sein, diese Instrumente werden am Teleskop sein und sie werden die Macht haben, die Zusammensetzung dieser felsigen Planeten zu erkennen”, sagte Palle. “Und dann müssen wir vielleicht interpretieren, naja – ich habe Wasser und Sauerstoff gefunden; ist dieser Planet bewohnt oder nicht? Aber wir werden die Macht haben, die Signaturen dieser Gase in felsigen Planeten zu erkennen.”

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