Eisendampf am Exoplaneten

Endlich nachgewiesen: Astronomen haben erstmals atomares Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt. Dass diese Metalle in der extrem heißen Gashülle mancher Exoplaneten als atomarer Dampf vorkommen, vermuten Forscher schon länger. Aber erst jetzt ist ihnen der Nachweis beim rund 650 Lichtjahre entfernten „heißen Jupiter“ KELT-9b gelungen. Seine Atmosphäre ist mit mehr als 4.00 Grad so heiß, dass Moleküle in ihre atomaren Bestandteile zerlegt werden.

Um rund ein Prozent aller sonnenähnlichen Sterne kreisen sogenannte „heiße Jupiter“ – große Gasplaneten, deren Nähe zum Stern ihre Atmosphäre bis auf mehrere tausend Grad aufheizt. Diese enorme Hitze zerreißt die meisten chemischen Bindungen und zerlegt Moleküle in Atome oder Ionen. Dies könnte auch der Grund sein, warum manche dieser heißen Jupiter im sichtbaren Licht ungewöhnlich dunkel erscheinen.

Hitze zerreißt Moleküle

Schon länger vermuten Astronomen, dass bei solchen extrem heißen Gasriesen sogar Metalle verdampfen und als einzelne Atome vorliegen. „Bei diesen hohen Temperaturen sind Eisen und andere Übergangsmetalle nicht mehr in Molekülen oder Wolkenpartikeln gebunden, sondern sie existieren nur in ihrer atomaren Form“, erklären Jens Hoeijmakers von der Universität Genf und seine Kollegen.

Doch der Nachweis solcher Metallatome bei heißen Jupitern stand noch aus – bis jetzt. Für ihre Studie haben Hoeijmakers und sein Team den heißen blauen Stern KELT-9 und seinen Planeten KELT-9b ins Visier genommen – ein rund 650 Lichtjahre von uns entferntes Planetensystem. In ihm ist der Gasriese KELT-9b seinem Stern 30-mal näher als die Erde der Sonne – und entsprechend stark aufgeheizt. Rund 4.000 Grad herrschen in der Atmosphäre des heißen Jupiters.

Fiktiver Blick vom Exoplanet-9b zu seinem Stern. © Denis Bajram

Spektrallinie von atomarem Eisen

„Bei diesen ungewöhnlich hohen Temperaturen müssten alle Komponenten der Atmosphäre von KELT-9b in der Gasphase sein“, berichten die Forscher. Ob das stimmt, haben sie nun mithilfe des Lichtspektrums von KELT-9 ermittelt. Wenn der Exoplanet vor seinem Stern vorüberzieht, absorbiert seine Gashülle Teile des Sternenlichts. Gibt es in ihr atomaren Metalldampf, müsste dies spektrale Signaturen im Licht hinterlassen

Und tatsächlich: Mithilfe des HARPS-Spektrographen am Galileo-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma wurden die Astronomen fündig. Im Spektrum des Planetentransits von KELT-9b entdeckten sie Spektrallinien, die von frei umherfliegenden Eisenatomen stammen müssen. Erstmals haben die Forscher damit die Existenz von purem Eisen in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen.

Ionen signalisieren noch extremere Hitze

„Als wir uns intensiver mit den Daten beschäftigt haben, fanden wir sogar noch mehr“, sagt Hoeijmakers. Denn neben den Metallatomen zeigte das Lichtspektrum auch die Linien von einfach ionisiertem Eisen und Titan. „Die Peaks von Fe, Fe⁺ und Ti⁺ sind deutlich als helle Streifen in den Achsen von Zeit und Radialgeschwindigkeit zu erkennen“, so die Forscher.

Spannend ist dies unter anderem deshalb, weil die Astronomen aus der Intensität und Art dieser spektralen Signaturen auf die Temperatur in der Gashülle von KELT-9b schließen können. „Die Tatsache, dass die Spektrallinien des Eisenions prominenter hervortreten als die des atomaren Eisens deutet darauf hin, dass die atmosphärischen Temperaturen von KELT-9b die 4.000 Grad sogar übertreffen“, berichten die Forscher.

Der Nachweis der atomaren und ionisierten Metalle in der Gashülle dieses Exoplaneten liefert nicht nur neue Erkenntnisse zu diesem heißen Jupiter. Er trägt auch dazu bei, die Entwicklung und Entstehung solcher Extremwelten besser zu verstehen. (Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0401-y)

(Universität Genf, Universität Bern, 16.08.2018 – NPO)