Astronomen machen erste 3D-Beobachtungen der Atmosphäre eines Planeten, der wie aus einem Science-Fiction-Film aussieht

Astronomen haben zum ersten Mal starke Winde entdeckt, die chemische Elemente wie Eisen und Titan transportieren und komplizierte Muster in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erzeugen.

Tylos (oder WASP-121b) ist ein Gasriese und befindet sich in etwa 900 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Puppis. Mit Hilfe des ESPRESSO-Instruments am Very Large Telescope (VLT) der ESO haben Wissenschaftler seine Atmosphäre erfolgreich analysiert und damit zum ersten Mal die dreidimensionale Struktur eines Planeten außerhalb des Sonnensystems sichtbar gemacht. Die Atmosphäre von Tylos ist in drei Schichten unterteilt, mit Eisenwinden in der unteren Atmosphäre, einem sich schnell bewegenden Natriumstrahl in der Mitte und einer Wasserstoffwindschicht in der oberen Atmosphäre. Diese Art von Wetter wurde bisher noch auf keinem anderen Planeten beobachtet. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Durch die Kombination der vier Teleskopeinheiten des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) konnten sie diese Winde identifizieren, die komplexe Wettermuster in der Atmosphäre des Planeten erzeugen. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für detaillierte Studien der chemischen Zusammensetzung und der Wettersysteme auf fremden Welten, so die NASA.

"Die Atmosphäre dieses Planeten verhält sich auf eine Weise, die unser Verständnis davon, wie das Wetter funktioniert, in Frage stellt- nicht nur auf der Erde, sondern auf allen Planeten. Es ist wie etwas aus einem Science-Fiction-Film", sagt Julia Victoria Seidel, eine Forscherin bei der ESO in Chile und Hauptautorin der in Nature veröffentlichten Studie.

Erste Beobachtungen der Atmosphäre eines Exoplaneten

Der Planet WASP-121b (auch Tylos genannt) befindet sich etwa 900 Lichtjahre entfernt im Sternbild Puppis und ist ein ultraheißer Jupiter, ein Gasriese, der seinen Wirtsstern so eng umkreist, dass ein Jahr dort nur etwa 30 Erdstunden dauert. Eine Seite des Planeten ist dem Stern zugewandt und glühend heiß, während die andere Seite deutlich kühler ist.

Das Team untersuchte die Tiefen der Atmosphäre von Tylos, entdeckte unterschiedliche Winde in verschiedenen Schichten und erstellte eine 3D-Karte ihrer Struktur. Dies ist das erste Mal, dass Astronomen die Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems in solcher Tiefe und mit solchen Details untersuchen konnten.

"Was wir entdeckten, war überraschend: Ein Jetstream zirkuliert Material um den Äquator des Planeten, während eine separate Strömung in den unteren Atmosphärenschichten Gas von der heißen Seite zur kühleren Seite bewegt. Diese Art von Wetter wurde noch nie zuvor auf einem Planeten beobachtet", erklärt, der auch am Lagrange-Labor des Observatoriums der Côte d'Azur in Frankreich forscht. Der beobachtete Jetstream umspannt den halben Planeten, gewinnt an Geschwindigkeit und wirbelt die obere Atmosphäre heftig auf, wenn er die heiße Seite von Tylos überquert. "Im Vergleich dazu wirken selbst die stärksten Wirbelstürme in unserem Sonnensystem ruhig", fügt sie hinzu.

Um die dreidimensionale Struktur der Atmosphäre des Exoplaneten aufzudecken, nutzte das Team das ESPRESSO-Instrument am VLT der ESO, um das Licht der vier großen Teleskopeinheiten zu einem einzigen Signal zu kombinieren. Dieser kombinierte Modus sammelt viermal mehr Licht als ein Einzelteleskop und enthüllt schwächere Details. Durch die Beobachtung des Planeten während eines vollständigen Transits vor seinem Wirtsstern entdeckte ESPRESSO Signaturen mehrerer chemischer Elemente, die verschiedene atmosphärische Schichten erkennen lassen.

"Mit dem VLT konnten wir drei verschiedene Schichten der Atmosphäre des Exoplaneten gleichzeitig untersuchen", sagt Leonardo A. dos Santos, Mitautor der Studie und Assistenzastronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA. Das Team verfolgte die Bewegungen von Eisen, Natrium und Wasserstoff und konnte so die Winde in den tiefen, mittleren und oberen Atmosphärenschichten des Planeten kartieren. Diese Art der Beobachtung ist mit Weltraumteleskopen sehr schwierig zu erreichen, was die Bedeutung bodengestützter Beobachtungen von Exoplaneten unterstreicht", fügt er hinzu.

Interessanterweise zeigten die Beobachtungen auch das Vorhandensein von Titan direkt unterhalb des Jetstreams, wie in einer ergänzenden Studie, die in Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde, hervorgehoben wurde. Dies war unerwartet, da frühere Beobachtungen des Planeten auf das Fehlen dieses Elements hindeuteten, wahrscheinlich weil es tief in der Atmosphäre verborgen war.

"Es ist wirklich erstaunlich, dass wir Details wie die chemische Zusammensetzung und die Wettermuster eines Planeten in so großer Entfernung untersuchen können", sagt Bibiana Prinoth, Doktorandin an der Universität Lund (Schweden) und der ESO, die die ergänzende Studie leitete und Mitautorin des Nature-Artikels ist.

Für die Untersuchung der Atmosphären kleinerer, erdähnlicher Planeten werden jedoch größere Teleskope benötigt, darunter das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacamawüste gebaut wird. "Das ELT wird die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten grundlegend verändern", sagt Prinoth. "Diese Erfahrung gibt mir das Gefühl, dass wir kurz davor stehen, unglaubliche Entdeckungen zu machen, von denen wir bisher nur geträumt haben."