Hubble findet Wasserdampf in der Atmosphäre eines kleinen Exoplaneten

Astronomen sind fasziniert, wenn sie Hinweise auf Wasserdampf auf Exoplaneten finden. Das jüngste Beispiel ist GJ 9827d, der laut Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop möglicherweise eine wasserreiche Atmosphäre besitzt. Wasser ist eines der am häufigsten vorkommenden Moleküle im Universum, und sämtliches Leben auf der Erde ist darauf angewiesen. GJ 9827d ist nur knapp doppelt so groß wie die Erde und könnte ein Beispiel für mögliche wasserreiche Welten in unserer Galaxie sein. Der Planet ist so heiß wie die Venus, was ihn zu einer feucht-heißen Welt macht.

Mit dem Weltraumteleskop Hubble (HST) haben Astronominnen und Astronomen, darunter Laura Kreidberg und Thomas Mikal-Evans vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, den kleinsten Exoplaneten beobachtet, bei dem Wissenschaftler Wasserdampf in der Atmosphäre nachweisen konnten. Dieser Planet, GJ 9872d, befindet sich in 97 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Fische.

Diese Karte zeigt die Position des Sterns GJ 9827 im Sternbild der Fische. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pisces_constellation_map.svg

Wasser auf dem bisher kleinsten Exoplaneten entdeckt

„Das wäre das erste Mal, dass wir durch die Untersuchung von Atmosphären direkt zeigen können, dass diese wasserreichen Planeten in der Umgebung anderer Sterne tatsächlich existieren können“, sagt Teammitglied Björn Benneke vom Trottier-Institut zur Erforschung von Exoplaneten an der Universität von Montréal, Kanada. „Damit handelt es sich um einen wichtigen Schritt, um die Verbreitung und Vielfalt von Atmosphären auf Gesteinsplaneten zu bestimmen.“

„Wasser auf einem so kleinen Planeten ist eine bahnbrechende Entdeckung“, fügt Laura Kreidberg, Direktorin der Abteilung APEx (Atmospheric Physics of Exoplanets) am MPIA, hinzu. Sie ist mitverantwortlich für das zugrunde liegende HST-Beobachtungsprogramm. „Es bringt uns der Charakterisierung von wirklich erdähnlichen Welten näher als je zuvor.“

Es ist jedoch noch zu früh, um zu sagen, ob Hubble spektroskopisch eine kleine Menge Wasserdampf in einer aufgeblähten, wasserstoffreichen Atmosphäre gemessen hat oder ob die Atmosphäre des Planeten hauptsächlich aus Wasser besteht, das zurückgeblieben ist, nachdem eine urzeitliche Wasserstoff/Helium-Atmosphäre unter der Strahlung des Sterns verdampft ist.

Wasserwelt oder wasserstoffreicher Mini-Neptun?

„Unser Beobachtungsprogramm unter der Leitung von Ian Crossfield von der Universität von Kansas in Lawrence, USA, wurde speziell mit dem Ziel entwickelt, nicht nur die Moleküle in der Atmosphäre des Planeten aufzuspüren, sondern auch gezielt nach Wasserdampf zu suchen. Jedes Ergebnis wäre aufregend, egal ob Wasserdampf dominiert oder nur ein kleiner Bestandteil einer von Wasserstoff dominierten Atmosphäre ist“, sagt der Hauptautor der wissenschaftlichen Arbeit, Pierre-Alexis Roy vom Trottier-Institut.

Angesichts seines Alters von etwa sechs Milliarden Jahren und der Nähe zu seinem Wirtsstern sollte GJ 9872d jedoch aufgrund der intensiven Strahlung den größten Teil seines ursprünglichen Wasserstoffs verloren haben, so dass wahrscheinlich eine von Wasserdampf geprägte Atmosphäre zurückblieb. Ansonsten ist jeder Versuch, Wasserstoffsignaturen zu entdecken, bisher gescheitert.

„Bis jetzt waren wir nicht in der Lage, die Atmosphäre eines so kleinen Planeten direkt nachzuweisen. Aber wir kommen jetzt langsam in diesen Bereich“, fügt Benneke hinzu. „Irgendwann, wenn wir immer kleinere Planeten untersuchen, muss es einen Übergang geben, bei dem es auf diesen kleinen Welten keinen Wasserstoff mehr gibt und sie Atmosphären besitzen, die eher der Venus ähneln, die von Kohlendioxid dominiert wird.“

Eine heiße, unwirtliche Welt

Da der Planet mit 400 Grad Celsius so heiß ist wie die Venus, wäre er definitiv eine unwirtliche, feucht-heiße Welt, wenn die Atmosphäre überwiegend aus Wasserdampf bestünde.

Derzeit kann das Team nur zwei Möglichkeiten in Betracht ziehen. Der Planet klammert sich noch immer an eine wasserstoffreiche Hülle, die mit Wasser durchsetzt ist, und ist damit ein Mini-Neptun. Oder er könnte eine wärmere Version des Jupitermondes Europa sein, der unter seiner Kruste doppelt so viel Wasser wie die Erde hat. „Der Planet GJ 9827d könnte halb Wasser, halb Gestein sein. Und es gäbe eine Menge Wasserdampf auf einem kleineren Gesteinskörper“, sagt Benneke.

Nehmen wir an, der Planet hat eine wasserreiche Restatmosphäre. In diesem Fall muss er sich in größerer Entfernung von seinem Wirtsstern gebildet haben, wo die Temperatur niedriger ist als an seinem jetzigen Standort und Wasser in Form von Eis vorhanden ist. In diesem Szenario wäre GJ 9827d näher an den Stern gewandert und hätte mehr Strahlung abbekommen, wodurch sich das Eis in Wasser und Dampf verwandelt hätte. Der Wasserstoff wurde dann erhitzt und entkam oder ist noch dabei, der schwachen Schwerkraft des Planeten zu entfliehen. Die alternative Theorie besagt, dass sich der Planet in der Nähe des heißen Sterns gebildet hat, mit Spuren von Wasser in seiner Atmosphäre.

Ein perfektes Ziel für Hubble und Webb

Das Hubble-Programm beobachtete den Planeten während 11 Transits – Ereignisse, bei denen er vor seinem Stern vorbeizog – in einem Abstand von drei Jahren. Während der Transits wird das Sternenlicht durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert und weist den spektralen Fingerabdruck von Wassermolekülen auf. Sollte es auf dem Planeten Wolken geben, sind sie niedrig genug, um Hubbles Blick auf die Atmosphäre nicht vollständig zu verdecken, und das Teleskop kann Wasserdampf über den Wolken aufspüren.

Die Entdeckung durch Hubble öffnet das Tor zu einer genaueren Untersuchung des Planeten. Deshalb haben Astronomen und Astronominnen, darunter auch vom MPIA, GJ 9827d kürzlich mit dem Weltraumteleskop James Webb beobachtet. Sie suchten detaillierter nach Spuren von Wasser und anderen Molekülen. „Wir können es kaum erwarten zu sehen, was diese Daten ergeben“, sagt Kreidberg. „Hoffentlich können wir jetzt die Frage nach Wasserwelten ein für alle Mal klären.“

Hintergrundinformationen

Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Forscher sind Laura Kreidberg (Co-Forschungsleiterin) und Thomas Mikal-Evans.

Weitere Mitwirkende sind: Pierre-Alexis Roy (Abteilung für Physik und Trottier-Institut für die Erforschung von Exoplaneten, Universität von Montréal, Montreal, Kanada [UM]), Björn Benneke (UM), Caroline Piaulet (UM), Michael A. Gully-Santiago (Abteilung für Astronomie, Universität von Texas in Austin, Austin, USA [UTA]), Ian J. M. Crossfield ( Forschungsleiter, Abteilung für Physik und Astronomie, Universität von Kansas, Lawrence, USA [KU]), Caroline V. Morley (UTA), Jonathan Brande (KU), Simon Delisle (UM), Thomas P. Greene (Abteilung Weltraumwissenschaft und Astrobiologie, NASA Ames Research Center, Moffett Field, USA), Kevin K. Hardegree-Ullman (Steward Observatorium, Universität von Arizona, Tucson, USA), Travis Barman (Mond- und Planetenlabor, Universität von Arizona, Tucson, USA), Jessie L. Christiansen (Caltech/IPAC, Pasadena, USA), Diana Dragomir (Abteilung für Physik und Astronomie, Universität von New Mexico, Albuquerque, USA), Jonathan J. Fortney ( Abteilung für Astronomie und Astrophysik, Universität von Kalifornien, Santa Cruz, USA [UCSC]), Andrew W. Howard (Abteilung für Astronomie, California Institute of Technology, Pasadena, USA), Molly R. Kosiarek (UCSC), und Joshua D. Lothringer (Abteilung für Physik, Utah Valley Universität, Orem, USA)

GJ 9827d wurde im Jahr 2017 vom Kepler-Weltraumteleskop der NASA entdeckt. Er absolviert alle 6,2 Tage eine Umlaufbahn um einen roten Zwergstern. Der Stern, GJ 9827, liegt 97 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Fische.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein internationales Kooperationsprojekt zwischen der NASA und der ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop.

Das JWST ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. Es ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern, der ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Diese Pressemitteilung ist eine Adaption des Originals des Space Telescope Science Institute (STScI).

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Originalpublikation:

Pierre-Alexis Roy et al. (incl. Laura Kreidberg, Thomas Mikal-Evans), “Water Absorption in the Transmission Spectrum of the Water World Candidate GJ 9827 d”, The Astrophysical Journal Letters, 954, L52 (2023)
DOI: 10.3847/2041-8213/acebf0

Weitere Informationen:

https://www.mpia.de/aktuelles/wissenschaft/2024-03-gj9827d-water-world – Originalpressemitteilung des MPIA