Die Atmosphären von Exoplaneten erforschen

Titanoxid in Atmosphäre von Exoplanet

Fast viertausend Exoplaneten konnten Forscher in der Milchstraße bereits identifizieren. Jetzt wenden sich Wissenschaftler verstärkt den Atmosphären zu, untersuchen deren Bestandteile und ihren Aufbau. Die Bestimmung der Stoffe und Elemente, aus denen diese Atmosphären zusammengesetzt sind, ist besonders schwierig. Bisher konnten lediglich eine gute Handvoll leichter Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff sowie Natrium und Kalium nachgewiesen werden. Nun ist mit dem Molekül Titanoxid ein schwereres Element hinzugekommen – entdeckt in der Atmosphäre eines so genannten „heißen Jupiter“.

Gemeinsam mit einem Team von neun weiteren Astronomen untersuchte der Nachwuchswissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Elyar Sedaghati den Exoplaneten „WASP-19b“ mit dem Very Large Telescope (VLT) in Chile. Dabei nutzen die Forscher die sogenannten Transitmethode: Wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, fällt für diesen Zeitraum messbar weniger Licht auf den Sensor des Teleskops. Tritt die winzige Lichtabnahme von einem Zehntel bis zu einem Hundertstel Prozent periodisch auf, handelt es sich um einen den Stern umkreisenden Planeten. Mehr noch: Umgibt den Planeten eine Atmosphärenschicht, wird das Sternenlicht in charakteristischer Weise verändert. Diese Signale sind winzig klein. Forscher können sie nur mit hochempfindlichen Messungen und raffinierten Auswertemethoden ausfindig machen.

Titanoxid und Wasser entdeckt

„Diese Phase, wenn der Planet vor die Scheibe des Sterns tritt, ist für die Untersuchung seiner Atmosphäre entscheidend“, erklärt Dr. Elyar Sedaghati. „Winzige Variationen der Wellenlängen und der Intensität des Lichts, das uns von diesem Stern erreicht, ermöglichen durch einen Vergleich mit Atmosphärenmodellen die Bestimmung von einigen Eigenschaften der Atmosphäre und deren Bestandteile. Zwei Jahre lang haben wir diese Messungen immer wieder durchgeführt“. Das Titanoxid (chemisch: TiO) in der Atmosphäre vom jupitergroßen Planeten WASP-19b verriet sich als das Sternenlicht stark streuender Dunst.

Neben der Entdeckung von Titanoxid und Wasser in der Gashülle eines extrasolaren Planeten gab es weitere Highlights für die Wissenschaftler. So war es das erste Mal, dass sie etwas über die Struktur der Atmosphäre eines heißen Riesenplaneten an einem anderen Stern erfuhren. Der Planet besitzt womöglich eine Schichtung, ähnlich einer Stratosphäre. Die Beobachtung eröffnet den Astronomen neue Wege für die Charakterisierung der Chemie von Atmosphären extrasolarer Planeten.

Das Team der Wissenschaftler beobachtete WASP-19b lange und sammelte Millionen von Einzelspektren in allen Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Um die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre herauszufinden, wurden Algorithmen angewendet, die auch unterschiedliche Temperaturen und die variierenden Eigenschaften von Wolken- und Dunstschichten berücksichtigen. Neben Titanoxid fanden die Astronomen Hinweise auf Wasser und Natrium.

Suche nach der „zweiten Erde“

WASP-19b wurde bereits 2009 entdeckt. Es handelt sich um einen stark „aufgeblähten“ Riesen-Gasplaneten, ähnlich dem Jupiter mit etwa elf Prozent mehr Masse. Sein Durchmesser ist aber etwa 40 Prozent größer, an die 200.000 Kilometer. Die Temperatur der Atmosphäre dürfte bei mehr als 2.000 Grad Celsius liegen. Denn der Planet läuft in einer extrem engen Umlaufbahn von nur 240.000 Kilometern um den Stern WASP-19, umkreist ihn in nur 19 Stunden. WASP-19 ist mit mehr als 11,5 Milliarden Jahren doppelt so alt wie die Sonne und hat wie diese einen Durchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometer und eine Oberflächentemperatur von über 5.000 Grad Celsius.

Derartige Messmethoden und Instrumente werden laut der Forscher künftig den Schlüssel dazu liefern, um herauszufinden, wie die Atmosphäre eines erdähnlichen Gesteinsplaneten beschaffen ist, der sich in der lebensfreundlichen Zone um seinen Stern befindet. Eine solche „zweite Erde“ wurde bisher nicht gefunden. Die für 2026 geplante Mission PLATO der Europäischen Weltraumorganisation ESA, an der das DLR beteiligt ist, ist darauf ausgelegt, genau solche Planeten zu finden.

Bild: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)