James-Webb-Teleskop der NASA enthüllt Anzeichen einer Atmosphäre auf einer Super-Erde

Das James-Webb-Teleskop der NASA entdeckt Anzeichen für eine Atmosphäre auf der Super-Erde - aber ist sie auch bewohnbar?

künstlerische Darstellung eines Planeten und seiner Sonne — Künstlerischer Eindruck von 55 Cancri e. Es gibt keine Detailaufnahmen des Planeten. Credit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI).

Normalerweise verliert ein Planet in der Nähe eines Sterns seine Gashülle, aber das ist bei 55 Cancri e nicht der Fall. Er mag als Super-Erde eingestuft werden, aber er ist eine feurige Welt mit dem doppelten Durchmesser der Erde. Seine geschmolzene Oberfläche hat Temperaturen, die stark genug sind, um Eisenmetall zu schmelzen.

Er umkreist den sonnenähnlichen Stern 5 Cancri im Sternbild Krebs, wo er doppelt so groß wie die Erde ist, eine höhere Dichte aufweist und in seiner Zusammensetzung den Gesteinsplaneten unserer Sonne ähnelt. Aber "felsig" zu sein bedeutet nicht, dass er so felsig ist wie unsere Erde: Astronomen halten seine Oberfläche für ein Meer aus geschmolzenem Magma.

Es war unklar, ob er jetzt oder in der Vergangenheit eine Atmosphäre gehabt haben könnte, und zwar wegen seiner hohen Temperaturen und der Flut von stellarer Strahlung und Wind von seinem Stern. Im Vergleich dazu sind die Atmosphären von Gasriesenplaneten leichter zu erkennen, insbesondere mit dem Hubble-Teleskop der NASA, das sogar die Aurora des Saturn und die Wettermuster auf anderen Planeten eingefangen hat.

Zuvor wurden mit dem Spitzer-Weltraumteleskop Daten über 55 Cancri e gesammelt, aber dieses Teleskop ist jetzt im Ruhestand. Es deutete auf das Vorhandensein einer Atmosphäre hin, die reich an molekularen Gasen ist, die auch auf der Erde vorkommen, wie Kohlendioxid und Sauerstoff, aber die Forscher dachten auch, dass das geschmolzene Gestein so heiß sein müsste, dass die Elemente im Gestein verdampfen würden. Die Forscher glauben nun, dass die Gase, aus denen die Atmosphäre besteht, aus dem Magma an der Oberfläche des Planeten entstanden sein könnten.

Seit der Entdeckung von 55 Cancri e im Jahr 2004 haben Wissenschaftler über seine Eigenschaften debattiert, von seiner Dichte bis zu seiner Umlaufbahn, aber das vielleicht heißeste Thema war seine Atmosphäre. Einige Astronomen waren der Meinung, dass er unmöglich eine Atmosphäre haben könne, da er zu heiß und zu nahe an seinem Stern sei.

Der Ansatz der Forscher

Das Forscherteam nutzte die NIRCam und MIRI des Webb-Teleskops zur Messung des vom Planeten ausgehenden Infrarotlichts und berechnete dessen Infrarot-Wellenlängen, eine Technik, die bei der Suche nach Atmosphären auf felsigen Exoplaneten wie TRAPPIST-1b eingesetzt wird.

"Ich arbeite seit über einem Jahrzehnt an diesem Planeten", sagt Diana Dragomir, Exoplanetenforscherin an der Universität von New Mexico und Mitautorin der Studie. "Es war wirklich frustrierend, dass keine der Beobachtungen, die wir erhalten haben, diese Rätsel solide gelöst hat. Ich bin begeistert, dass wir endlich einige Antworten bekommen!" Diese Beobachtung stellt alles infrage, was über die Erhaltung der Atmosphäre eines Planeten bekannt ist.

Ergebnisse

Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass 55 Cancri e eine bedeutende Atmosphäre haben könnte. Das Emissionsspektrum zeigt eine Signatur, die der eines Planeten mit einer flüchtigen Atmosphäre ähnelt (siehe Grafik unten), was ihn erdähnlicher erscheinen lässt, als er es bei einer Atmosphäre aus Gesteinsdampf wäre.

Spektraldiagramm — Exoplanet Super-Earth 55 Cancri e (NIRCam + MIRI-Emissionsspektrum). Credit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI).

Der Beweis für diese Atmosphäre basiert auch auf diesen Temperaturmessungen, die teilweise aus dem von ihr ausgesandten Infrarotlicht abgeleitet wurden. Da die Temperaturdaten einen relativ niedrigen Wert von etwa 1.540°C ergaben, deutete dies für die Wissenschaftler darauf hin, dass die Energie durch eine flüchtige Atmosphäre verteilt wird. Diese effiziente Abkühlung kann nicht durch Magma allein erklärt werden, sondern durch das Vorhandensein einer dichten Atmosphäre.

"Wir sehen Anzeichen für einen Abfall des Spektrums zwischen 4 und 5 Mikrometern; weniger Licht erreicht das Teleskop", sagte Co-Autor Aaron Bello-Arufe, ein NASA-Mitarbeiter. "Dies deutet auf das Vorhandensein einer Atmosphäre mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid hin, die diese Wellenlängen des Lichts absorbiert."

Teleskopische Beweise zeigen, dass 55 Cancri e eine umfangreiche Atmosphäre mit Kohlendioxid besitzt.

"Wir haben die letzten zehn Jahre damit verbracht, verschiedene Szenarien zu modellieren, um uns vorzustellen, wie diese Welt aussehen könnte", sagt Mitautorin Yamila Miguel von der Sternwarte Leiden. "Endlich eine Bestätigung für unsere Arbeit zu bekommen, ist unbezahlbar!"

Gase, die durch das Magma aus dem Inneren austreten, würden die Atmosphäre wieder auffüllen. Das erinnert uns daran, dass Magma nicht nur heißes, flüssiges Gestein ist, sondern ein Gascocktail. Als Nächstes wollen die Forscher wissen, unter welchen Bedingungen eine solche gasreiche Atmosphäre möglich ist, denn sie hat die Voraussetzungen für einen bewohnbaren Planeten.

Quellenhinweis:

Hu, R. et al (2024). A secondary atmosphere on the rocky Exoplanet 55 Cancri e. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07432-x