Künstlerische Darstellung des Exoplaneten „TRAPPIST-1 b“ vor dem Hintergrund seines Muttersterns „TRAPPIST-1“ (Illu).
Copyright: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
Greenbelt (USA) – Gerade einmal 40 Lichtjahre von der Erde entfernt, gehört der etwa Merkur-große Felsplanet „TRAPPIST-1 b“ zu insgesamt sieben Planeten, die den dortigen roten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen – vier davon innerhalb der potenziell lebensfreundlichen Zone. Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop ist nun erstmals eine Temperaturmessung eines fernen Felsplaneten gelungen. Diese zeigt jedoch, dass zumindest „TRAPPIST-1 b“ vermutlich über keine nennenswerte Atmosphäre verfügt.
Wie die europäische Raumfahrtagentur ESA berichtet, basiert die Messung auf der thermischen Emission des Planeten: Wärmeenergie, die in Form von Infrarotlicht abgegeben wird, das von Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) erfasst wird.
Das Ergebnis zeigt, dass die Tagseite des Planeten eine Temperatur von etwa 500 Kelvin (etwa 230 °C) aufweist. „Daraus ergibt sich auch, dass es keine nennenswerte Atmosphäre gibt.“
Es handele sich hierbei um die erste Entdeckung jeglicher Art von Licht, das von einem Exoplaneten emittiert wird, der so klein und so kühl ist wie die Gesteinsplaneten in unserem eigenen Sonnensystem. „Das Ergebnis markiert einen wichtigen Schritt bei der Bestimmung, ob Planeten, die kleine aktive Sterne wie TRAPPIST-1 umkreisen, Atmosphären aufrechterhalten können, die zur Unterstützung des Lebens erforderlich sind“, so die ESA.“Es verheißt auch Gutes für Webbs Fähigkeit, gemäßigte, erdgroße Exoplaneten mit MIRI, dem innovativen Mittelinfrarot-Instrument des Teleskops zu charakterisieren, das zur Hälfte von Europa beigesteuert wurde.“
Wie das Team um Thomas Greene vom Ames Research Center der NASA aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-023-05951-7) erläutert, hatte bislang kein früheres Teleskop die Empfindlichkeit, ein so schwaches Licht im mittleren Infrarotbereich zu messen.“
Hintergrund
Anfang 2017 berichteten Astronomen über die Entdeckung von sieben Gesteinsplaneten, die mit TRAPPPIST-1 einen ultrakühlen roten Zwergstern (oder M-Zwerg) 40 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen. Bemerkenswert an den Planeten ist ihre Ähnlichkeit in Größe und Masse mit den inneren Gesteinsplaneten unseres eigenen Sonnensystems. Obwohl sie alle viel näher um ihren Stern kreisen als jeder unserer Planeten die Sonne – alle TRAPPIST-1-Planeten könnten bequem in die Umlaufbahn des Merkur passen, – erhalten sie vergleichbare Energiemengen von ihrem winzigen Stern. „TRAPPIST-1 b“ ist der innerste dieser sieben Planeten, hat eine Umlaufbahn von etwa einem Hundertstel der Erde und erhält etwa die vierfache Energiemenge, wie sie die Erde von der Sonne erhält. Obwohl sich der Planet nicht innerhalb der lebensfreundlichen Zone des Systems befindet, können Beobachtungen des Planeten wichtige Informationen über seine Geschwisterplaneten sowie über die anderer M-Zwerg-Systeme liefern. Bei der habitablen, also lebensfreundlichen Zone handelt es sich um jene Abstandsregion, innerhalb derer Planeten diesen Stern umkreisen müssen, damit aufgrund gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser (und damit die Grundlage zumindest des uns bekannten irdischen Lebens) auf der Planetenoberfläche existieren können.
„Es gibt zehnmal so viele dieser Sterne in der Milchstraße wie Sterne wie die Sonne, und es ist doppelt so wahrscheinlich, dass sie Gesteinsplaneten haben als Sterne wie die Sonne. Aber sie sind auch sehr aktiv, – sie sind sehr hell, wenn sie jung sind, und sie geben Flares und Röntgenstrahlen ab, die eine Atmosphäre auslöschen können“, so das Forscherteam um Greene. „Es ist einfacher, terrestrische Planeten um kleinere, kühlere Sterne herum zu charakterisieren“, fügt die Co-Autorin Elsa Ducrot von der französischen Behörde für Atomenergie und alternative Energien (CEA) hinzu, die zu dem Team gehörte, das die ersten Studien des TRAPPIST-1-Systems durchführte. „Wenn wir die Bewohnbarkeit um M-Sterne herum verstehen wollen, ist das TRAPPIST-1-System ein großartiges Labor. Dies sind die besten Ziele, die wir haben, um die Atmosphären von Gesteinsplaneten zu untersuchen.“
Die gemessene Lichtkurve während der sekundären Sonnenfinsternis von „TRAPPIST 1“ durch die Passage seines innersten Planeten „TRAPPIST-1 b“ (Illu.).
Copyright: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
Frühere Beobachtungen von „TRAPPIST-1 b“, etwa mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble oder dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA, fanden keine Hinweise auf eine aufgeblähte Atmosphäre, konnten aber eine dichte Atmosphäre noch nicht ausschließen.
Eine Möglichkeit, die Unsicherheit zu verringern, bestand nun darin, die Temperatur des Planeten zu messen: „Dieser Planet ist durch seine Nähe zu seinem Stern an diesen gezeitengebunden. Wie der Mond der Erde, so weist also auch immer die gleiche Seite in Richtung Stern, während die andere Seite in dauerhafter Dunkelheit verweilt“, so die Forschenden. „Wenn es eine Atmosphäre gibt, um die Wärme zu zirkulieren und umzuverteilen, wird die Tagseite kühler sein, als wenn es keine Atmosphäre gibt.“
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Das Team verwendete eine Technik namens sekundäre Sonnenfinsternis-Photometrie, bei der MIRI die Helligkeitsänderung des Systems maß, während sich der Planet hinter den Stern bewegte. Obwohl „TRAPPIST-1“ b nicht heiß genug ist, um sein eigenes sichtbares Licht abzugeben, leuchtet der Planet im Infrarot. Indem sie die Helligkeit des Sterns allein (während der sekundären Sonnenfinsternis) von der Helligkeit des Sterns und des Planeten zusammen subtrahierten, konnten sie erfolgreich berechnen, wie viel Infrarotlicht der Planet abgibt.
Ein Vergleich der mit Webb gemessenen Temperaturen des Felsplaneten „TRAPPIST-1 b“ mit Erde und Merkur (Illu.).
Copyright: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
Webbs Entdeckung einer sekundären Sonnenfinsternis ist selbst ein wichtiger Meilenstein. Da der Stern mehr als 1.000 Mal heller ist als der Planet, beträgt die Helligkeitsänderung weniger als 0,1 %.
Tatsächlich hatten die Forschenden zuvor schon die Befürchtung, dass sie die Sonnenfinsternis verpassen würden: „Die Planeten ziehen alle aneinander, daher sind die Umlaufbahnen nicht perfekt“, erläutert Taylor Bell, Postdoktorand am Bay Area Environmental Research Institute, der die Daten analysierte. „Aber es war einfach erstaunlich: Die Zeit der Sonnenfinsternis, die wir in den Daten sahen, stimmte innerhalb weniger Minuten mit der vorhergesagten Zeit überein.“ Die Analyse der Daten von fünf separaten sekundären Sonnenfinsternis-Beobachtungen zeigt nun, dass TRAPPIST-1 b eine Tagestemperatur von etwa 500 Kelvin oder ungefähr 230 °C hat.
Anhand dieser Daten glaubt das Team, dass die wahrscheinlichste Interpretation jene ist, laut der der Planet über keine Atmosphäre verfügt: „Wir haben die Ergebnisse mit Computermodellen verglichen, die zeigen, wie die Temperatur in verschiedenen Szenarien sein sollte. Die Ergebnisse stimmen fast perfekt mit einem schwarzen Körper aus nacktem Gestein und ohne Atmosphäre überein, die die Wärme zirkulieren lässt. Wir haben auch keine Anzeichen dafür gesehen, dass Licht von Kohlendioxid absorbiert wird, was in diesen Messungen offensichtlich wäre.“
Die aktuellen Untersuchungen fanden im Rahmen des „Guaranteed Time Observation (GTO)-Programms 1177 statt, das eines von acht genehmigten GTO- und General Observer (GO)-Programmen ist, die zur vollständigen Charakterisierung des TRAPPIST-1-Systems beitragen sollen. Weitere sekundäre Sonnenfinsternis-Beobachtungen von TRAPPIST-1 b sind derzeit im Gange, und jetzt, da sie wissen, wie gut die Daten sein können, hofft das Team schließlich eine vollständige Phasenkurve zu erfassen zu können, wie sie die Helligkeitsänderung über die gesamte Umlaufbahn zeigt. Auf diese Weise kann dann auch abgelesen werden, wie sich die Temperatur von der Tag- zur Nachtseite ändert und damit bestätigen, ob der Planet eine Atmosphäre hat oder nicht.
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Recherchequelle: ESA
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