WISE 0855 ist ungefähr so groß wie Jupiter und liegt nur rund 7,5 Lichtjahre entfernt. Trotzdem war seine Atmosphäre lange schwer zu untersuchen: Der kälteste bekannte Braune Zwerg strahlt nur schwach. Ein Team um Brittany Miles von der University of Arizona hat das James-Webb-Weltraumteleskop deshalb elf Stunden lang auf ihn gerichtet.
Die Beobachtungen sprechen für eine ungleichmäßige Bewölkung aus Wasserwolken. Gleichzeitig verändern sich die Signale bestimmter Gase. Das Besondere: Die Forschenden können die Einflüsse der Wolken von chemischen Veränderungen besser unterscheiden als bisher.
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Eine Welt mit rund −8 °C
Braune Zwerge besitzen zu wenig Masse, um dauerhaft Wasserstoff zu fusionieren wie die Sonne. Sie kühlen mit der Zeit ab. Bei WISE 0855 liegt die effektive Temperatur bei etwa 265 Kelvin, also rund −8 °C. Das ist eine aus seiner Wärmeabstrahlung abgeleitete Größe. Sie bedeutet nicht, dass es in allen Atmosphärenschichten gleich kalt ist.
Die niedrige Temperatur macht WISE 0855 interessant für die Erforschung kalter Gasplaneten. Hinweise auf Wasserwolken gab es bereits vor Webb: Frühere Spektren ließen sich mit Atmosphärenmodellen erklären, die solche Wolken enthalten. Die neue Untersuchung verfolgt nun, wie sich das Licht über die Zeit verändert.
Elf Stunden, alle 15 Minuten ein Spektrum
Zum Einsatz kam Webbs Nahinfrarot-Spektrograf NIRSpec. Er zerlegt das empfangene Licht nach Wellenlängen. Moleküle absorbieren bestimmte Teile davon und hinterlassen dadurch erkennbare Merkmale im Spektrum.
Alle 15 Minuten nahm das Instrument ein neues Spektrum auf. Besonders deutlich schwankte das Signal im Bereich der Kohlenmonoxid-Absorption: Bei einzelnen Wellenlängen erreichte der Unterschied zwischen Maximum und Minimum bis zu 10 %. Auch die Signale von Kohlenmonoxid und Phosphin veränderten sich gemeinsam. Die 10 % beschreiben dabei die Schwankung des gemessenen Lichts – nicht eine entsprechende Zunahme der Gasmenge.
Solche Messreihen helfen, mehrere Ursachen auseinanderzuhalten. Wolken, Temperaturunterschiede und verschiedene Gase beeinflussen das abgestrahlte Licht jeweils anders. Auch bei der Untersuchung der oberen Uranusatmosphäre mit Webb nutzten Forschende NIRSpec, dort allerdings für eine räumliche Kartierung.
Wasserwolken – aber kein Wolkenfilm
Das Team verglich die Messungen mit Atmosphären- und Strukturmodellen. Diese sprechen für fleckenhafte Wasserwolken und Unterschiede in ihrer Dicke. Mit der Rotation kommen unterschiedlich bewölkte Regionen ins Blickfeld und verändern das beobachtete Licht.
Einzelne Wolken sind auf den Webb-Aufnahmen nicht zu erkennen. WISE 0855 bleibt räumlich unaufgelöst; das Teleskop empfängt das Licht vieler Atmosphärenbereiche zusammen. Die Wolkeneigenschaften werden daraus mithilfe der Modelle erschlossen.
Die Messreihe ist deshalb kein Zeitraffer einer Wolke, die wächst und wieder verschwindet. Um räumliche Unterschiede und tatsächliche Veränderungen der Atmosphäre genauer zu trennen, sind weitere Beobachtungen nötig.
Was die Gase über die Tiefe verraten
Die chemischen Signale führen die Forschenden auf tiefere Atmosphärenschichten zurück als die Veränderungen der Wasserwolken. Dort kann Durchmischung Gase aus warmen Bereichen nach oben transportieren. In den kälteren Schichten laufen manche Reaktionen so langsam ab, dass die Zusammensetzung noch die Bedingungen in der Tiefe widerspiegelt.
Solche Vorgänge kennt die Planetenforschung auch von Jupiter. Phosphin ist in diesem Zusammenhang ein Hinweis auf Atmosphärenchemie. Warum das Gas allein keine eindeutige Biosignatur ist, zeigt auch die Untersuchung des Braunen Zwergs Wolf 1130C.
Mit weiteren Webb-Beobachtungen will das Team die Rotation und den Aufbau der Atmosphäre genauer bestimmen. Die Ergebnisse sollen auch helfen, Spektren anderer Gasplaneten zu verstehen. Denn deren Licht trägt ebenfalls die überlagerten Einflüsse von Wolken, Temperatur und Chemie. Wie Webb fremde Atmosphären untersucht, erläutert ein Hintergrundbeitrag der VDI nachrichten über die wissenschaftlichen Ziele des Infrarotteleskops.
