Kaum Wasser und Gase: Der zweitinnerste Planet im nahen TRAPPIST-1-System ist offenbar doch kein Zwilling der Venus. Denn statt einer dichten Gashülle hat TRAPPIST-1c nur eine sehr dünne oder gar keine Atmosphäre, wie Messdaten des James-Webb-Teleskops zeigen. Ob die Gashülle dieses Exoplaneten durch intensive Sternenwinde verloren ging oder ob alle sieben Planeten um TRAPPIST-1 schon mit wenig Wasser und Gasen entstanden sind, muss nun geklärt werden.
Der rund 40 Lichtjahre entfernte Rote Zwergstern TRAPPIST-1 wird von gleich sieben erdgroßen Gesteinsplaneten umkreist, davon mindestens drei in der habitablen Zone. Ob es auf den Exoplaneten jedoch Wasser und eine Atmosphäre gibt, ist unklar. So legten erste Dichtemessungen zwar nahe, dass alle sieben Planeten wasserreich sein könnten. Im März 2023 wurde dies für den innersten Planeten, TRAPPIST-1b, jedoch widerlegt – er ähnelt eher dem trockenen, atmosphärelosen Merkur.
„Das nahegelegene Planetensystem TRAPPIST-1 ist derzeit der beste Kandidat, um die Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten zu untersuchen, die einen roten Zwergstern umkreisen“, erklärt Erstautor Sebastian Zieba vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg.
„Venuszwilling“ TRAPPIST-1c im Visier
Jetzt haben Astronomen auch den zweitinnersten Planeten, TRAPPIST-1c, ins Visier genommen. Dieser umkreist seinen Stern in gebundener Rotation und erhält von ihm etwa so viel Strahlung wie die Venus. Theoretisch könnte der Exoplanet demnach eine ähnliche dichte Gashülle und ähnliche Bedingungen aufweisen wie diese. Ob das der Fall ist, haben nun Sebastian Zieba vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und sein Team mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops untersucht.
Die Astronomen verglichen dafür die vom MIRI-Spektroskop des Teleskops eingefangenen Infrarotabstrahlung von Stern und Planet in zwei Konstellationen: während der Planet hinter seinem Stern verdeckt ist und während der Phasen, in denen er neben dem Stern steht und uns seine heiße Tagseite zukehrt. Die Differenz beider Werte verrät, wie heiß die Tagseite von TRAPPIST-1c ist. Das wiederum liefert Hinweise darauf, ob es eine Gashülle gibt, die die Hitze der Tagseite über den Planeten verteilt oder nicht.
Keine dichte Gashülle, kaum Hitze-Umverteilung
Die Analysen ergaben: Die Tagseite von TRAPPIST-1c ist rund 380 Kelvin heiß – rund 106 Grad Celsius. „Damit liegt der Wert zwischen zwei Grenzfällen für die atmosphärische Zirkulation auf einem solchen Planeten“, berichten Zieba und seine Kollegen. Hätte der Planet gar keine Gashülle und eine stark absorbierende Gesteinsoberfläche, läge der Wert bei rund 430 Kelvin, würde dagegen eine dichte Atmosphäre die Hitze verteilen, dürfte die Temperatur nicht höher als 340 Kelvin liegen.
„Wir können damit eine dicke und Venus-ähnliche Atmosphäre definitiv ausschließen“, sagt Ziebas Kollegin Laura Kreidberg. Anders als unser innerer Nachbarplanet ist TRAPPIST-1c demnach nicht von einer dichten Gas- und Wolkenhülle umgeben. Denn eine solche Gashülle würde für mehr Temperaturausgleich sorgen. Dies widerlegt auch die frühere Annahme einer Wasserdampf-reichen Atmosphäre bei diesem Exoplaneten.
Dünne oder gar keine Atmosphäre
Doch wie sieht es bei TRAPPIST-1c mit einer dünneren Atmosphäre aus? Um dieser Frage nachzugehen, nutzten die Astronomen ein Atmosphärenmodell, um eine Reihe von Gasmischungen und Atmosphärendichten nachzubilden und mit den Infrarotdaten zu vergleichen. Das Ergebnis: Eine reine, wolkenlose CO2-Atmosphäre könnte auf dem Planeten maximal 0,1 Bar Druck aufweisen – rund zehn Prozent des irdischen Atmosphärendrucks. Für ein Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemisch wäre ein Atmosphärendruck zwischen 0,01 und einem Bar möglich.
„Wir gehen davon aus, dass heiße Gesteinsplaneten um massearme Sterne einen hohen Anteil an Sauerstoff und etwas Kohlendioxid aufweisen“, erklärt Zieba. Diese Atmosphäre entsteht, weil intensive Anfangsstrahlung vom Stern den ursprünglich vorhandenen Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Der leichte Wasserstoff wird dann vom Sternenwind weggerissen, während die schwereren Sauerstoffmoleküle zurückbleiben.
Allerdings: Angesichts der großen Messunsicherheiten könnte es auch sein, dass TRAPPIST-1c gar keine Gashülle besitzt. Bisher können Zieba und sein Team diese Möglichkeit zumindest nicht eindeutig ausschließen.
Sind auch die habitablen TRAPPIST-1-Planeten wasserarm?
Was aber bedeutet dies für TRAPPIST-1c und das gesamte TRAPPIST-System? Die neuen Messungen zeigen, dass zumindest die inneren beiden Planeten in diesem System weniger Gase und Wasser besitzen als zuvor angenommen. Dafür könnte es zwei Erklärungen geben. Die erste: Weil diese Planeten sehr nah an ihrem Stern kreisen, waren sie vor allem in ihrer Frühzeit starken Sternwinden und intensiver UV-Strahlung ausgesetzt. Dies könnte ihre Gashüllen erodiert und weggerissen haben.
Denkbar wäre aber auch, dass diese Exoplaneten schon bei ihrer Entstehung wenig flüchtige Moleküle wie Wasser oder CO2 mitbekommen haben. Dann könnte dies für das gesamte TRAPPIST-1-Sytem gelten: „Sollten sich alle Planeten um TRAPPIST-1 auf ähnliche Weise gebildet haben, dann könnte dies auf ein begrenztes Reservoir flüchtiger Verbindungen auch bei den potenziell lebensfreundlichen Planeten dieses Systems hindeuten“, schreiben Zieba und sein Team. Die drei TRAPPIST-1-Planeten in der habitablen Zone könnten dann ebenfalls wasserarm und trocken sein.
Doch noch ist unklar, welches dieser Szenarien auf TRAPPIST-1 und seine sieben Planeten zutrifft. Weitere Beobachtungen müssen diese Frage nun klären. (Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06232-z)
Quelle: Nature, Max-Planck-Institut für Astronomie
