Exoplanet TRAPPIST-1b hat keine Atmosphäre

Merkur statt zweiter Erde: Astronomen haben Neues zum innersten der sieben Exoplaneten um den nahen Roten Zwerg TRAPPIST-1 herausgefunden. Demnach hat dieser erdgroße Planet keine Atmosphäre und demnach auch keine Wasserdampfhülle, wie noch vor einigen Jahren vermutet. Stattdessen ähnelt TRAPPIST-1b eher unserem Merkur: Er hat eine „nackte“, dauerhaft heiße Tagseite und eine sehr kalte Nachtseite. Das Fehlen seiner Gashülle bestätigt zudem Modelle, nach denen Planeten um Rote Zwerge schon früh ihre Atmosphäre verlieren.

Um den rund 40 Lichtjahre von uns entfernten Roten Zwergstern TRAPPIST-1 kreisen gleich sieben potenziell erdähnliche Planeten. Mindestens drei dieser erdgroßen Gesteinsplaneten liegen in der habitablen Zone ihres Sterns. Astronomen vermuteten auf Basis der Planetendichten zudem, dass es auf allen sieben Planeten um TRAPPIST-1 Wasser geben könnte – je nach Orbit als Wasserdampf, flüssig oder gefroren als Eis.

Haben die Planeten um TRAPPIST-1 eine Atmosphäre?

Doch wie lebensfreundlich sind die „sieben Zwerge“ um TRAPPIST-1 wirklich? Dafür entscheidend ist die Frage, ob diese Planeten eine Atmosphäre besitzen. Denn sie trägt zum Ausgleich der Temperaturen zwischen Tag- und Nachtseite bei – vor allem, wenn die Planeten in gebundener Rotation um ihren Stern kreisen. Außerdem kann eine dichte Gashülle einen Teil der harten Strahlung herausfiltern, die von Roten Zwergen ausgeht.

Das Problem jedoch: In ihrer Jugend durchlaufen Rote Zwerge eine Phase mit besonders intensiven Strahlenausbrüchen und Plasmastürmen. Dies kann die Gashüllen um junge Planeten zerstören und ins All hinausreißen. Unter anderen deshalb ist umstritten, ob Exoplaneten um Rote Zwerge überhaupt lebensfreundlich sein können –- und ob sie auf Dauer eine Gashülle halten können. Der Stern TRAPPIST-1 ist zwar schon gut 7,5 Milliarden Jahre alt und daher heute relativ ruhig. Doch ob die Atmosphären um seine Planeten die turbulente Frühphase überstanden haben, war bisher offen.

Infrarot-Abstrahlung im Visier

Um diese Frage zu klären, haben nun Thomas Greene vom Ames Research Center der NASA und seine Kollegen zunächst den innersten der sieben TRAPPIST-1-Planeten näher unter die Lupe genommen. Dieser benötigt nur 1,5 Tage für einen Umlauf und erhält gängigen Schätzungen nach viermal so viel Strahlung von seinem Stern wie die Erde von der Sonne. „Die inneren Planeten sind warm genug, um ihre thermale Abstrahlung durch Beobachtungen im mittleren Infrarot zu detektieren“, erklären die Astronomen.

Für ihre Studie nutzten sie das Mid-Infrared Instrument (MIRI) des James-Webb-Teleskops, um die Abstrahlung des Planeten TRAPPIST-1b über sogenannte sekundäre Eklipsen zu messen. Dabei untersuchen Astronomen die Wärmestrahlung von Planet und Stern einmal, wenn sie nebeneinander stehen, und einmal, wenn der Planet hinter seinem Stern steht. Der Unterschied beider Spektren verrät, wie viel Wärme der Planet abstrahlt – und das erlaubt Rückschlüsse auf seine Temperaturverteilung und Atmosphäre.

Kein Hinweis auf eine Gashülle

Die Auswertungen enthüllten: Auf der Tagseite von TRAPPIST-1b herrschen Temperaturen von rund 508 Kelvin – dies entspricht etwa 235 Grad Celsius. Das wiederum bedeutet, dass es auf diesem Planeten so gut wie keine Umverteilung der eingestrahlten Wärme geben kann – und damit auch keine Atmosphäre. Denn wenn es eine Gashülle gäbe, dann müsste sie einen Teil der eingestrahlten Energie aufnehmen und durch Winde auf die kühlere Nachtseite ableiten.

Bei TRAPPIST-1b würde dieser Atmosphären-Effekt die Temperatur der Tagseite auf 300 Kelvin oder weniger verringern, wie die Astronomen ermittelten. Doch das ist den Beobachtungen nach nicht der Fall: „Unsere Beobachtungen stimmen am besten mit einer unbehinderten Albedo und wenig bis keiner Wärme-Umverteilung von der Tagseite zur Nachtseite bei TRAPPIST-1 b überein“, konstatieren Greene und sein Team. Auch frühere Hinweise auf eine möglicherweise CO2-haltige Gashülle konnten sie anhand ihrer Spektralanalysen nicht bestätigen.

Ähnlichkeiten mit dem Merkur

Damit scheint klar, dass der innerste Planet um TRAPPIST-1 wohl keine Atmosphäre besitzt und damit auch nichts, was seine Oberfläche gegen Hitze und Strahlung des nahen Sterns schützen könnte. TRAPPIST-1b ähnelt demnach eher dem Merkur in unserem Sonnensystem als einem lebensfreundlichen Erdzwilling: Er kreist ungeschützt um seinen Stern und ist in zwei Hälften mit extrem gegensätzlichen Temperaturen geteilt – eine dauerhaft heiße Tagseite und eine ewig kalte und dunkle Nachtseite.

Diese Beobachtung bestätigt die Modelle, die von einem nahezu vollständigen Verlust einer Uratmosphäre bei nahen Planeten um Rote Zwerge ausgehen. Offen bleibt allerdings vorerst, wie es bei den restlichen sechs Planeten um TRAPPIST-1 aussieht. Weil sie etwas weiter von ihrem Stern entfernt sind, könnten ihre Gashüllen die turbulente Frühzeit überdauert haben. Ob das der Fall ist, könnten künftige Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop klären.

„Das TRAPPIST-1-System ist ein großartiges Testlabor, um die Habitabilität von Planeten um Rote Zwerge zu verstehen“, erklärt Koautorin Elsa Ducrot von der Universität Paris-Saclay. „Sie sind die besten Ziele, um die Atmosphären von extrasolaren Gesteinsplaneten zu erforschen.“ (Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05951-7)

Quelle: Nature