Astronominnen und Astronomen haben einen ungewöhnlichen Exoplaneten genauer untersucht. Der Gasriese TOI-199b ist etwa so groß wie Saturn, aber deutlich kühler als viele andere bekannte Riesenplaneten außerhalb unseres Sonnensystems. Seine Temperaturen liegen eher in einem Bereich, der auf der Erde zumindest nicht völlig unvorstellbar erscheint. Jetzt gelang es Forschenden erstmals, die Atmosphäre eines solchen gemäßigten Gasriesen detailliert zu analysieren. Möglich machte das das James Webb Space Telescope.
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Ein Planet zwischen heiß und eisig
Viele bekannte Gasriesen außerhalb unseres Sonnensystems gehören zur Klasse der sogenannten heißen Jupiter. Diese Planeten kreisen extrem nah um ihren Stern und erreichen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius. Andere Gasriesen wie Jupiter oder Saturn befinden sich weit entfernt von ihrer Sonne und sind entsprechend kalt.
TOI-199b liegt genau zwischen diesen Extremen. Der Planet umkreist seinen Stern in rund 100 Tagen und befindet sich mehr als 330 Lichtjahre von der Erde entfernt. Seine Temperatur liegt bei etwa 79 °C. Für Menschen wäre das lebensfeindlich. Im Vergleich zu vielen anderen bekannten Gasriesen gilt der Planet jedoch als überraschend gemäßigt.
Die Werte liegen deutlich unter den Temperaturen typischer heißer Jupiter. Gleichzeitig ist TOI-199b wesentlich wärmer als die Gasriesen unseres Sonnensystems. Genau solche Zwischenformen interessieren die Forschung derzeit besonders.
James Webb analysiert das Licht des Sterns
Der eigentliche Befund steckt nicht in der Größe des Planeten, sondern in seinem Lichtspektrum. Um die Atmosphäre zu untersuchen, nutzten die Forschenden die sogenannte Transmissionsspektroskopie. Dabei beobachten Teleskope einen Planeten während seines Vorbeizugs vor dem Stern. Ein Teil des Sternenlichts dringt dabei durch die Atmosphäre des Planeten. Die enthaltenen Gase hinterlassen charakteristische Spuren im Licht.
„Wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, durchdringt ein Teil des Sternenlichts die Atmosphäre des Planeten“, erklärte Aaron Bello-Arufe vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. „Bestimmte Elemente absorbieren bestimmte Wellenlängen des Lichts und erzeugen so einen Fingerabdruck im Lichtspektrum.“
Das James-Webb-Teleskop zerlegt das Licht dabei ähnlich wie ein Prisma in einzelne Wellenlängen. Anschließend vergleichen Forschende die Daten während des Transits mit Referenzmessungen des Sterns. So lässt sich erkennen, welche Stoffe Licht absorbieren.
Methan deutlich nachweisbar
Die Analyse zeigte vor allem eines sehr klar: In der Atmosphäre von TOI-199b befindet sich Methan. Genau das hatten theoretische Modelle für gemäßigte Gasriesen bereits vorhergesagt. Nun gibt es dafür erstmals direkte Beobachtungsdaten.
„Als wir die Spektren während des Transits mit den Basiswerten verglichen, stellten wir fest, dass die Atmosphäre die von Methan absorbierten Wellenlängen des Sternenlichts blockierte“, sagte Bello-Arufe.
Zusätzlich fanden die Forschenden mögliche Hinweise auf weitere Moleküle wie Ammoniak oder Kohlendioxid. Dafür sind jedoch weitere Beobachtungen notwendig. Die bisherigen Daten reichen noch nicht aus, um die chemische Zusammensetzung vollständig zu bestimmen.
Warum der Fund für die Forschung wichtig ist
TOI-199b gehört zu einer bislang kaum erforschten Planetengruppe. Seit der ersten Exoplaneten-Entdeckung Anfang der 1990er-Jahre wurden zwar Tausende Planeten gefunden. Detaillierte Atmosphärenmessungen von gemäßigten Gasriesen sind jedoch selten.
„Dies ist das erste Mal, dass wir die Atmosphäre eines solchen Planeten im Detail untersuchen konnten“, sagte Renyu Hu von der Penn State University.
Die Ergebnisse könnten helfen, bestehende Modelle zur Planetenentstehung zu verbessern. Atmosphären verraten viel über chemische Prozesse in jungen Planetensystemen. Forschende hoffen zudem, besser zu verstehen, wie sich Atmosphären langfristig verändern.
Das betrifft nicht nur ferne Exoplaneten. Auch die Entwicklung der Erdatmosphäre könnte sich dadurch besser nachvollziehen lassen.
Eine neue Planetengruppe rückt in den Fokus
Die Forschenden wollen TOI-199b nun intensiver untersuchen. Besonders interessant ist die Frage, wie häufig solche gemäßigten Gasriesen überhaupt vorkommen. Bislang standen vor allem heiße Jupiter im Mittelpunkt der Forschung, weil sie leichter zu beobachten sind.
TOI-199b liefert nun eine erste Messlatte für eine Planetengruppe, über die bislang nur wenig bekannt ist. Gleichzeitig zeigt die Studie, welche Möglichkeiten das James-Webb-Teleskop inzwischen eröffnet. Atmosphären ferner Welten lassen sich heute deutlich präziser untersuchen als noch vor wenigen Jahren.
