Pressemitteilung

Erste Analyse der Atmosphäre einer “Supererde”

1. Dezember 2010

Mit dem Very Large Telescope der ESO hat ein internationales Astronomenteam erstmals die Atmosphäre einer so genannten Supererde analysiert, also eines Exoplaneten mit nur wenigen Erdmassen. Der Planet mit der Bezeichnung GJ 1214b zieht auf seiner Umlaufbahn regelmäßig vor seinem Mutterstern vorbei. Dabei durchleuchtet ein kleiner Teil des Sternlichts auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre des Planeten. Dieses Licht haben die Astronomen analysiert und herausgefunden, dass die Atmosphäre des Planeten entweder größtenteils aus Wasserdampf besteht oder aber von dichten Dunstschichten und Wolken dominiert wird. Diese Ergebnisse erscheinen am 2. Dezember 2010 in der Fachzeitschrift Nature.

Die Supererde GJ 1214b wurde 2009 mit dem HARPS-Stektrografen am 3,6 m-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO in Chile entdeckt (eso0950) [1]. Schon bei der Entdeckung gab es Anzeichen dafür, dass der Planet eine Atmosphäre besitzt. Ein internationales Team von Astronomen unter der Führung von Jacob Bean (Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics) konnte jetzt nicht nur die Existenz der Atmosphäre bestätigen, sondern sie mithilfe des FORS-Instrumentes am Very Large Telescope der ESO auch näher untersuchen.

“GJ 1214 b ist die erste Supererde, deren Atmosphäre untersucht werden konnte. Damit haben wir einen echten Meilenstein auf dem Weg zur Charakterisierung dieser fernen Welten erreicht”, fasst Bean zusammen.

GJ 1214b hat etwa den 2,6-fachen Durchmesser der Erde und rund 6,5 mal so viel Masse. Damit handelt es sich eindeutig um eine so genannte Supererde. Der Mutterstern GJ 1214 befindet sich in einer Entfernung von etwas mehr als 40 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Ophiuchus (der Schlangenträger). Es handelt sich um einen vergleichsweise leuchtschwachen [2] und kleinen Stern. Insbesondere ist der Planet damit im Vergleich mit seinem Mutterstern relativ groß, was die Untersuchung des Planeten deutlich
einfacher macht [3]. Alle 38 Stunden läuft GJ 1214b von der Erde aus gesehen vor dem Stern vorüber. Die Entfernung zwischen Planet und Stern beträgt nur zwei Millionen Kilometer, entsprechend einem Siebzigstel des Abstands der Erde von der Sonne.

Um die Atmosphäre des Planeten zu untersuchen, beobachtete das Team den Stern in denjenigen Phasen seines Umlaufs, in denen er von der Erde aus gesehen vor dem vorbeizieht [4]. Während eines solchen Transits durchläuft ein kleiner Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten. Je nach chemischer Zusammensetzung und Wetter werden dabei bestimmte Wellenlängen des Lichtes absorbiert. Die Wissenschaftler verglichen ihre Messungen anschließend mit den Vorhersagen von verschiedenen Modellen für die Planetenatmosphäre.

Vor den neuen Beobachtungen hatten die Theoretiker drei verschiedene Szenarien für die Atmosphäre von GJ 1214b entworfen. Das erste Modell geht von der faszinierenden Idee aus, dass der Planet von Wasser umgeben ist. Aufgrund der Nähe zum Stern müsste es allerdings in Form von Wasserdampf vorliegen. Die zweite Möglichkeit wäre, dass GJ 1214b ein Gesteinsplanet mit einer Atmosphäre ist, die zum größten Teil aus Wasserstoff besteht, bei der aber Wolken oder Dunstschichten in den oberen Regionen der Atmosphäre die Sicht behindern. Als letzte Option könnte GJ 1214b einer verkleinerten Version des Gasplaneten Neptun ähneln, der tief im Inneren seiner wasserstoffreichen Atmosphäre einen kleinen Gesteinskern besitzt.

Die neuen Messdaten zeigen keine Spur von Wasserstoff, so dass man das dritte Modell verwerfen kann. Die Atmosphäre des Planeten ist also entweder reich an Wasserdampf, oder sie liegt abgeschirmt unter Wolken und Dunst. Ähnliches beobachtet man im Sonnensystem bei der Venus oder dem Saturnmond Titan.

“Obwohl wir noch nicht genau sagen können, woraus die Atmosphäre von GJ 1214b besteht, sind wir einen wichtigen Schritt vorwärts gekommen, denn nun sind nur noch zwei der möglichen Szenarien übrig: Die Atmosphäre ist entweder dampfhaltig oder dunstig und bewölkt” ergänzt Bean. “Wichtig sind nun Anschlussbeobachtungen bei längeren Wellenlängen im Infrarotlicht, um zwischen den beiden verblieben Optionen unterscheiden zu können.”

Endnoten

[1] Die Zahl der entdeckten Exoplaneten hat am 19. November 2010 die 500er-Marke überschritten. In der Zwischenzeit sind noch weitere extrasolare Planeten bestätigt worden. Die aktuellen Zahlen findet man unter http://exoplanet.eu/catalog.php

[2] Befände sich GJ 1214 in derselben Entfernung wie die Sonne, würde er uns 300 mal schwächer als die Sonne erscheinen.

[3] GJ1214 ist ein sehr schwacher Stern, mehr als 100 mal schwächer im sichtbaren Licht als  Muttersterne der beiden bislang meistuntersuchten Exoplaneten vom Typ “Heißer Jupiter”. Das große Lichtsammelvermögen des Very Large Telescope war daher entscheidend für die Datenqualität der Messungen. 

[4] Die Zusammensetzung der Atmosphäre von GJ 1214b wurde mit dem FORS-Instrument am Very Large Telescope untersucht, das unter anderem hervorragend für die Spektroskopie lichtschwacher Objekte im nahen Infrarot geeignet ist. Der FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph (wörtlich "Brennweitenreduzierer und niedrigauflösender Spektrograf") ist das vielseitigste Instrument des Very Large Telescope. Die Kombination aus astronomischer Kamera und Spektrograf wurde gemeinsam von den Universitätssternwarten in Heidelberg, Göttingen und München und der ESO entwickelt und gebaut. FORS war eines der ersten Instrumente, die am Very Large Telescope installiert wurden.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen am 2. Dezember 2010 unter dem Titel “A ground-based transmission spectrum of the super-Earth planet GJ 1214b” in der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Jacob Bean (Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Eliza Miller-Ricci Kempton (University of California, Santa Cruz, USA) und Derek Homeier (Institut für Astrophysik der Georg-August-Universität Göttingen).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, sowie VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Links

• Fachartikel in Nature
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1047.