Hat der Gesteins-Exoplanet TRAPPIST-1 c eine Atmosphäre?

Eine vom MPIA geleitete Forschungsgruppe suchte mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer Atmosphäre des Gesteinsplaneten TRAPPIST-1 c. Obwohl der Planet fast die gleiche Größe und Einstrahlung wie die Venus hat, erweist sich seine Atmosphäre als höchst verschieden. Aus der Analyse der vom Planeten abgestrahlten Wärme schließen die Forschenden, dass er allenfalls eine dünne Atmosphäre mit minimalem Kohlendioxidgehalt aufweist. Die Messungen stimmen jedoch auch mit blankem Gestein ohne eine nennenswerte Atmosphäre überein. Diese Studie trägt zum Verständnis bei, wie Gesteinsplaneten bei massearmen Sternen den starken Sternwinden und intensiver UV-Strahlung standhalten können.

„Das nahegelegene Planetensystem TRAPPIST-1 ist derzeit der beste Kandidat, um die Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten zu untersuchen, die einen roten Zwergstern umkreisen“, sagt Sebastian Zieba, Student am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. Er ist der Erstautor des Forschungsartikels mit den Ergebnissen zu TRAPPIST-1 c, der in der Zeitschrift Nature erscheint. TRAPPIST-1 ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und beherbergt sieben erdgroße Gesteinsplaneten, von denen sich bis zu drei in der lebensfreundlichen Zone befinden. Das bedeutet, dass die Strahlung des Zentralsterns genug Wärme erzeugt, um Wasser in flüssiger Form zu ermöglichen. TRAPPIST-1 c, den das Team mit dem Weltraumteleskop James Webb (JWST) beobachtet hat, gehört allerdings nicht zu diesen Planeten. Stattdessen vermuteten Astronomen, dass es sich um einen Zwilling der Venus handelt.

Massearme Sterne können Planetenatmosphären zerstören

Obwohl sie auf der Oberfläche vergleichsweise kühl sind, weisen viele dieser Sterne über einen längeren Zeitraum hinweg starke Sternwinde und intensive UV-Strahlung auf, die die Atmosphären ihrer Planeten beschädigen und abtragen können. „Wir wollten herausfinden, ob TRAPPIST-1 c diesem Schicksal entgangen ist und eine substantielle Atmosphäre bewahrt haben könnte und vielleicht sogar dem Planeten Venus im Sonnensystem ähnlich ist“, erklärt Zieba. Zumindest sollte die Anziehungskraft an der Oberfläche, die 10 % höher ist als die der Erde, zum Erhalt seiner Atmosphäre beitragen. Wie bei der Venus entsprechen Durchmesser und Masse von TRAPPIST-1 c fast den Werten der Erde. Die Einstrahlung, die der Planet von seinem Zentralstern erfährt, ist fast identisch mit der der Venus.

Die Aufgabe, die Atmosphären von erdgroßen Gesteinsplaneten zu erforschen, ist jedoch selbst für das JWST eine Herausforderung. Daher kombinierte das Team seine Beobachtungen mit Modellberechnungen, um den wahrscheinlichsten Bereich der atmosphärischen Eigenschaften zu ermitteln, der mit den Daten vereinbar ist. Die Ausdehnung, der Druck und die Zusammensetzung einer Atmosphäre bestimmen die Temperatur eines Planeten in Abhängigkeit von dem Licht, das er von seinem Stern empfängt. Umgekehrt bestimmt die Temperatur, wie viel Infrarotlicht der Planet aussendet. Auf diese Weise geben Infrarotmessungen in Kombination mit Modellrechnungen Aufschluss über die Atmosphäre und ihre Zusammensetzung.

TRAPPIST-1 c ist nicht mit der Venus vergleichbar

„Wir können eine dicke und Venus-ähnliche Atmosphäre definitiv ausschließen“, sagt Laura Kreidberg, die leitende Wissenschaftlerin des JWST-Beobachtungsprogramms, Mitautorin und Direktorin am MPIA ist. Sie leitet die Abteilung für Atmosphärenphysik von Exoplaneten (APEx). Entgegen den Erwartungen der Astronomen und Astronominnen erreichen die Temperaturen „nur“ 110 Grad Celsius (380 Kelvin) und sind damit bis zu 390 Grad niedriger als auf der Venus. Das Infrarotlicht, das TRAPPIST-1 c aussendet, passt daher nicht zu einer Venusatmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen starken Treibhauseffekt verursacht.

Tatsächlich sind die Daten unvereinbar mit jeder Art von dicker Atmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen Luftdruck aufweist, der mehr als zehnmal so hoch ist wie auf der Erde. Während die Ergebnisse zu TRAPPIST-1 b vom Anfang des Jahres zeigen, dass er dem Merkur ähnlich ist und keine Atmosphäre besitzt, lehrt uns TRAPPIST-1 c, dass dieses Planetensystem kein Abbild des Sonnensystems ist.

TRAPPIST-1 c hat möglicherweise eine dünne Atmosphäre

Besitzt TRAPPIST-1 c zumindest eine dünne Gashülle? Um dieser Frage nachzugehen, berechneten die Wissenschaftler die statistische Wahrscheinlichkeit einer Reihe von atmosphärischen Kenngrößen, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Das Atmosphärenmodell umfasste eine Reihe von Oberflächendrücken und Mischungen aus einer von Sauerstoff (O2) dominierten Atmosphäre mit unterschiedlichen Spuren von Kohlendioxid (CO2).

„Wir gehen davon aus, dass heiße Gesteinsplaneten, die massearme Sterne umkreisen, einen hohen Anteil an Sauerstoff und etwas Kohlendioxid aufweisen“, erklärt Zieba. Planeten wie TRAPPIST-1 c sollten schon früh eine Atmosphäre besitzen, die Kohlendioxid und Wasserdampf enthält. Mit der Zeit spaltet die Sternstrahlung das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Während der leicht flüchtige Wasserstoff allmählich in den freien Raum entweicht, bleiben die schwereren Sauerstoffmoleküle zurück, was zu einer sauerstoffreichen Atmosphäre mit Spuren von Kohlendioxid führt.

Wie sich für TRAPPIST-1 c herausstellt, ist eine breite Palette von Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemischen und einem Luftdruck zwischen 1 % und 100 % des Werts auf Meeresspiegelhöhe auf der Erde möglich. Dieses Ergebnis gibt Anlass zur Hoffnung, dass TRAPPIST-1 c und andere ausreichend schwere Gesteinsplaneten um kühle, massearme Sterne eine Atmosphäre über einen beträchtlichen Teil der Lebenszeit des Sterns aufrechterhalten können. Der Stern TRAPPIST-1 ist mindestens so alt wie die Sonne.

Dennoch müssen diese Ergebnisse mit zusätzlichen Daten überprüft werden. „Die Beobachtung dünner Atmosphären von Gesteinsplaneten bringt JWST an seine Grenzen“, räumt Kreidberg ein. Die gemessenen Signale sind schwach, und viele Eigenschaften sind noch unbekannt, was die Bewertung der Messungen unsicher macht. Im Fall von TRAPPIST-1 c sind die Atmosphärenmodelle nicht die einzigen, die mit den Daten übereinstimmen. Stattdessen erklärt blankes Gestein mit einer verwitterten Oberfläche die Beobachtungen ebenso gut.

Beobachtungen sind selbst für JWST eine Herausforderung

JWST ist zweifellos das leistungsstärkste Weltraumobservatorium aller Zeiten. Dennoch ist es schwierig, die Wärmesignatur eines mäßig warmen und kleinen Gesteinsplaneten mit Hinweisen auf eine umgebenden Atmosphäre zu erfassen.

TRAPPIST-1 c weist seinem Zentralstern immer dieselbe Seite zu, was zu zwei unterschiedlichen Halbkugeln mit konstantem Tag und ewiger Nacht führt. Seine Rotation ist an seine Bahn um den Stern gebunden. Daher dauern sowohl ein Tag als auch ein Jahr auf TRAPPIST-1 c etwa 2,42 Erdtage. Darüber hinaus ist seine Umlaufbahn so ausgerichtet, dass er aus unserer Perspektive immer wieder vor seinem Stern vorbeizieht.

Nach einer weiteren halben Umdrehung verdeckt der Stern TRAPPIST-1 den Planeten vollständig und verbirgt ihn für etwa eine halbe Stunde vor unseren Teleskopen. Doch kurz vor und nach der Bedeckung weist der Planet den Astronomen seine voll erleuchtete und heiße Tagesseite zu. Auf dieses Signal hatte es das Team abgesehen. Natürlich ist jeder Hinweis auf eine dünne Atmosphäre darin winzig.

Die nächsten Schritte

Weitere JWST-Beobachtungen sind erforderlich, um zwischen einem bloßen Gesteinsplaneten und einer dünnen Atmosphäre zu unterscheiden. So könnten Signaturen dabei helfen, die entstehen, wenn der Planet uns seine Nachtseite zuwendet. Dann prägt der schmale Atmosphärenkranz um den Planetenkörper dem durchscheinenden Sternlicht Signale auf, die Aufschluss über die Zusammensetzung geben können.

Eine andere Möglichkeit wäre eine ähnliche Beobachtung mit dem Extremely Large Telescope (ELT), ein 39-Meter-Teleskop in der chilenischen Atacama-Wüste, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll. Es handelt sich dabei um die neueste und größte Ergänzung des Teleskoparsenals der Europäischen Südsternwarte (ESO). Die überragende Empfindlichkeit des ELT könnte für den entscheidenden Hinweis sorgen.

Sollten Astronomen eine Atmosphäre um TRAPPIST-1 c bestätigen, wäre das ein ermutigendes Zeichen dafür, dass Atmosphären den extremen Einfluss roter Zwergsterne doch überstehen können.

Hintergrundinformationen

Der Forschungsartikel „No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c“ von Sebastian Zieba et al. ist zur Veröffentlichung in Nature am 19. Juni 2023 um 17:00 Uhr (MESZ), 19. Juni 2023 um 11:00 Uhr (US Eastern Time) vorgesehen. Die Sperrfrist endet zu diesem Zeitpunkt. Eine Kopie des akzeptierten Artikels ist hier erhältlich.

Die DOI-Nummer lautet 10.1038/s41586-023-06232-z. Sobald der Artikel online veröffentlicht ist, wird er unter der folgenden URL verfügbar sein: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z

Das an der Studie beteiligte MPIA-Forschungsteam besteht aus Sebastian Zieba (ebenfalls Observatorium Leiden, Niederlande), Laura Kreidberg und Lorena Acuña (ebenfalls Universität Aix-Marseille, Frankreich).

Die Astronomen und Astronominnen beobachteten TRAPPIST-1 c im Rahmen des JWST General Observer (GO) Programms 2304, Hot Take on a Cool World: Does TRAPPIST-1c Have an Atmosphere? (PI: Laura Kreidberg).

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das weltweit führende Observatorium zur Erforschung des Weltraums. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Das Mid-InfraRed Instrument (MIRI) des JWST, das von einem europäischen Konsortium von Forschungseinrichtungen gebaut wurde, ist ein wissenschaftliches Mehrzweckinstrument für Infrarot-Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern. Es kombiniert eine Bildkamera mit einem Spektrographen. Mit der Unterstützung von industriellen Partnern lieferte das MPIA die Mechanismen aller Elemente zur Ansteuerung des Wellenlängenbereichs, wie z.B. Filter- und Gitterräder, und leitete das elektrische Design von MIRI.

Die folgenden Forschungsinstitute sind an dieser Studie beteiligt:

Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Leiden Observatory, Universität Leiden, Niederlande; Université Paris-Saclay, Université Paris-Cité, CEA, CNRS, AIM, Frankreich; Universität Lüttich, Belgien; Universität Texas in Austin, USA; Stanford University, USA; Boston University, USA; Peking University, Beijing, Volksrepublik China; Aix-Marseille Université, CNRS, CNES, Institut Origines, LAM, Marseille, Frankreich; University of Washington, USA; NASA Nexus for Exoplanet System Science, University of Washington, Seattle, USA; Arizona State University, Tempe, USA; Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Université Bordeaux, CNRS, Pessac, Frankreich; Observatoire astronomique de l’Université de Genève, Versoix, Schweiz; Centre Vie dans l’Univers, Université de Genève, Genf, Schweiz; NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA

Medienkontakt

Dr. Markus Nielbock
Referent für Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel.: +49 6221 528 134
E-Mail: pr@mpia.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Sebastian Zieba
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel.: +49 6221 528 328
E-Mail: zieba@mpia.de

Dr. Laura Kreidberg
Direktorin
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel.: +49 6221 528 215
E-Mail: kreidberg@mpia.de

Originalpublikation:

Sebastian Zieba, Laura Kreidberg et al. (incl. Lorena Acuña), “No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c”, Nature (2023).

Die DOI-Nummer lautet 10.1038/s41586-023-06232-z. Sobald der Artikel online veröffentlicht ist, wird er unter der folgenden URL verfügbar sein: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z

Weitere Informationen:

https://www.mpia.de/aktuelles/wissenschaft/2023-08-trappist-1-c – Originalpressemitteilung des MPIA mit Bildern und einem Video