Tucson (USA) – Wetter gibt es offenbar auch auf Welten, die sich deutlich von den Planeten unseres Sonnensystems unterscheiden. Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben Astronominnen und Astronomen erstmals direkt nachgewiesen, dass sich Wasserwolken auf einem Objekt außerhalb unseres Sonnensystems im Laufe der Zeit verändern.
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Wie das Team um Brittany Miles vom Steward Observatory der University of Arizona vorab via ArXiv.org und in einer kommenden Ausgabe des „The Astrophysical Journal“ berichten, zeigen die Beobachtungen zudem, wie Wolkenbewegungen und chemische Prozesse in der Atmosphäre eines extrem kalten Himmelskörpers zusammenspielen.
Hierzu haben die Forschenden den bislang kältesten bekannten Braunen Zwerg, das Objekt „WISE 0855“, mit dem Webb-Teleskop ins Visier genommen. Das Objekt, eine Zwischenstufe zwischen Gasriesen und Stern, befindet sich in einer Entfernung von lediglich 7,5 Lichtjahren und besitzt eine Temperatur von etwa minus acht Grad Celsius.
11-Stunden-Blick auf und in eine fremde Atmosphäre
Braune Zwerge nehmen eine Zwischenstellung zwischen Planeten und Sternen ein. Sie sind massereicher als Planeten, besitzen jedoch gerade nicht genügend Masse, um wie gewöhnliche Sterne dauerhaft Wasserstofffusion zu zünden und in ihrem Inneren aufrechtzuerhalten. Stattdessen geben sie hauptsächlich die bei ihrer Entstehung gespeicherte Wärme ab. „WISE 0855“ besitzt ungefähr die doppelte Masse des Jupiters, ist aber etwa ebenso groß.
Für die Untersuchung richtete das Team das James-Webb-Teleskop elf Stunden lang auf den Himmelskörper. Dabei erfasste es alle 15 Minuten ein Spektrum seines Lichts. Das eingesetzte Spektrografie-System ermöglichte es, Veränderungen in einzelnen molekularen Signaturen zu verfolgen. Frühere Beobachtungen konnten solche Einflüsse nicht zuverlässig voneinander trennen, da sich Wolken, Temperaturunterschiede und chemische Prozesse in den Messungen überlagerten.
Die neuen Daten zeichnen nun ein deutlich differenzierteres Bild: Während sich der Braune Zwerg dreht, gelangen unterschiedliche Bereiche seiner Atmosphäre ins Blickfeld. Diese unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Temperatur und ihrer Wolkenbedeckung. Die Messungen zeigen, dass Wasserwolken in höheren Atmosphärenschichten dicker und dünner werden. Damit liegt erstmals eine direkte Bestätigung zeitlich veränderlicher Wasserwolken auf einem anderen Himmelskörper vor.
Tiefengase steigen in die Atmosphäre auf
Neben den Wolkenveränderungen entdeckten die Forschenden ein weiteres Muster: Bestimmte chemische Verbindungen, insbesondere Kohlenmonoxid und Phosphin, zeigten rhythmische Schwankungen in ihren spektralen Signaturen. Nach Interpretation des Teams hängt dies mit Konvektion zusammen: Wärme aus tieferen Schichten treibt Material nach oben und transportiert dabei Gase in Bereiche, die von den Beobachtungen erfasst werden können.
Ein solcher Prozess ist auch von Jupiter bekannt. Dort transportiert Konvektion Gase aus tieferen, heißeren Atmosphärenschichten nach oben. Die dadurch entstehenden chemischen Ungleichgewichte wurden bei Braunen Zwergen bereits zuvor untersucht. Neu ist jedoch, dass sich die Veränderungen nun zeitlich auflösen und anhand einzelner Moleküle verfolgen lassen.
Die Beobachtungen zeigen damit zwei gleichzeitig ablaufende Prozesse: veränderliche Wasserwolken in höheren Atmosphärenschichten und den Transport chemischer Gase aus dem Inneren. Erst die Empfindlichkeit des James-Webb-Teleskops machte es möglich, beide Signale voneinander zu unterscheiden.
Was WISE 0855 über andere Welten verrät
Die Ergebnisse sind nicht nur für das Verständnis dieses besonderen Braunen Zwergs von Bedeutung. Sie liefern auch Hinweise darauf, wie Atmosphären anderer Gasriesen funktionieren könnten. Obwohl Braune Zwerge keine echten Planeten sind, zeigen sie offenbar vergleichbare meteorologische Prozesse. Die zugrunde liegende Physik von Wolkenbildung, Konvektion und chemischem Transport könnte daher auch auf extrasolare Gasriesen übertragbar sein.
Weitere Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop sollen helfen, die Rotation von WISE 0855 genauer zu bestimmen und die räumliche Struktur seiner Atmosphärenbewegungen besser zu verstehen.
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Die Studie verdeutlicht damit, dass selbst extrem kalte, frei im Raum befindliche Himmelskörper dynamische Atmosphären besitzen können. Damit eröffnet die Entdeckung zugleich neue Möglichkeiten, das Wetter auf weit entfernten Welten nicht nur indirekt zu erschließen, sondern seine Veränderungen anhand zeitlich aufgelöster Spektren unmittelbar zu untersuchen.
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Recherchequelle: University of Arizona
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