Durchbruch bei Exoplaneten: Neue Theorie macht ferne Atmosphären besser lesbar

Die Atmosphären ferner Exoplaneten werden oft nur sehr vereinfacht untersucht – doch nun könnte das Verfahren grundlegend verbessert werden. Eine neue Theorie berücksichtigt erstmals die realistische Trübung von Atmosphären – und das genau zur richtigen Zeit.

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-39 b, wie er auf Grundlage indirekter Transitbeobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops sowie anderer weltraum- und bodengestützter Teleskope aussehen könnte. Bild: NASA/ESA/CSA/R. Crawford (STScI)/CC BY 4.0

Die Erforschung von Atmosphären extrasolarer Planeten stößt oft an ihre Grenzen: Zwar liefern Teleskope immer genauere Messdaten, doch das theoretische Wissen kann damit oft nicht mithalten. Die Untersuchungen wurden darum stark vereinfacht, weshalb ferne Atmosphären oft nur unzureichend beschrieben werden konnten. Das betrifft besonders das Verfahren der sogenannten Transmissionsspektroskopie.

Bei der Transmissionsspektroskopie wird ein Exoplanet während eines Transits, also während er vor seinem Stern vorbeizieht, beobachtet. Ein Teil des Sternlichts passiert dabei den äußeren Rand der Planetenatmosphäre. Die Abschwächung des durchgelassenen Lichts zeigt, wie die Atmosphäre aufgebaut und chemisch zusammengesetzt ist.

Nun ist dem Physiker Dr. Leonardos Gkouvelis von der Universitätssternwarte München ein wichtiger Durchbruch gelungen, indem er eine geschlossene analytische Theorie vorgestellt hat, die ein grundlegendes Problem der vergangenen Jahrzehnte löst. Die Ergebnisse wurden in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Warum einfache Modelle nicht ausreichten

Seit über 30 Jahren helfen analytische Modelle dabei, die Daten physikalisch auszuwerten. Allen Modellen war jedoch eins gemeinsam: Sie nahmen an, dass die Lichtundurchlässigkeit der Atmosphäre unabhängig vom Druck ist. In Wirklichkeit aber verändert sich die Trübung einer Atmosphäre stark mit dem Druck.

Moleküle absorbieren Licht bei höherem Druck anders, Wolken und Dunstschichten bilden sich in bestimmten Höhen, und Zusammenstöße zwischen Teilchen beeinflussen die Lichtausbreitung.

Das mathematisch zu beschreiben, galt lange als unlösbar – zumindest hätte eine vollständige Darstellung sehr komplexe Integralgleichungen erfordert, die bisher nur mit aufwendigen Computersimulationen möglich waren. Dadurch blieb unklar, wie stark die vertikale Struktur einer Atmosphäre die beobachteten Spektren tatsächlich beeinflusst.

Gkouvelis hat nun genau dieses Problem gelöst. Seine Theorie beschreibt eine isotherme, hydrostatische Atmosphäre, bei der sich die Opazität – also die Durchlässigkeit für Licht – mit dem Druck nach einem einfachen Potenzgesetz ändert.

Bessere Übereinstimmung mit Beobachtungen

Der entscheidende Punkt ist, dass die Lösung in geschlossener mathematischer Form vorliegt. Dadurch wird erstmals klar nachvollziehbar, wie vertikale Änderungen der Opazität den effektiven Transitradius eines Planeten beeinflussen. Unter anderem wird klar, warum viele Exoplaneten nur abgeschwächte spektrale Merkmale zeigen.

Die neue Theorie verbindet Laborergebnisse aus der Molekülphysik direkt mit astronomischen Messungen. Tests mit realen Daten, etwa der Erdatmosphäre oder des Exoplaneten WASP-39b, zeigen eine deutlich bessere Übereinstimmung als frühere Modelle.

Im Gegensatz zu Modellen mit variabler Temperatur oder Chemie kommt der Ansatz ohne zusätzliche freie Parameter aus – und bleibt daher übersichtlich. Der Einfluss der druckabhängigen Opazität lässt sich klar isolieren und quantifizieren.

Wichtig für aktuelle und zukünftige Missionen

Der Durchbruch kommt zur richtigen Zeit. Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop stehen der Astronomie heute Spektren von bisher unerreichter Genauigkeit zur Verfügung. Die theoretische Auswertung war zuletzt der größte Engpass.

Diese analytische Lösung öffnet die Tür zu einer neuen Generation von viel schnelleren, transparenteren und realistischeren Methoden zur Analyse und Erfassung der Atmosphäre.

Solche Fortschritte seien wichtig, um das wissenschaftliche Potenzial aktueller und zukünftiger Missionen wie JWST und ARIEL voll auszuschöpfen und potenziell bewohnbare Welten außerhalb unseres Sonnensystems genauer zu untersuchen, sagt Gkouvelis. Damit wird eine neue Grundlage für die analytische Exoplanetenforschung geschaffen – und Theorie und Beobachtung werden wieder näher zusammengebracht.

Quellenhinweis:

Gkouvelis, L. (2026): A Closed-Form Analytical Theory of Non-Isobaric Transmission Spectroscopy for Exoplanet Atmospheres. The Astrophysical Journal, 997, 307.