Wasserdampf entdeckt: Ein roter Zwergstern in 26 Lichtjahren Entfernung – könnte es die nächste Erde sein?

Webb-Teleskop entdeckt Exoplaneten mit erdnahem Wasserdampf

Künstlerische Darstellung von GJ 486 b, einem felsigen Exoplaneten, der einen roten Zwergstern 26 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreist. Das Webb-Weltraumteleskop der NASA hat schwache Hinweise auf Wasserdampf auf dem Planeten gefunden, aber wir wissen immer noch nicht, ob sich dieser Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten oder in Sternflecken befindet. Bild über NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)/Leah Hustak (STScI).

Astronomen können das Vorhandensein von Wasserdampf in der Atmosphäre vieler Exoplaneten nachweisen. Alle bisher entdeckten Planeten sind viel größer als die Erde, beispielsweise Gaszwerge und Super-Jupiter. Aber was ist mit den etwas kleineren Planeten von der Größe der Erde? Aufgrund der Entfernung ist es für uns schwierig, auf diesen relativ kleinen Welten Wasserdampf festzustellen. Am 1. Mai 2023 berichteten Forscher aus Großbritannien und den USA jedoch, dass sie Wasserdampf in den Atmosphären erdähnlicher Planeten und sie umkreisender roter Zwergsterne gefunden hätten. Astronomen nutzten das Webb-Weltraumteleskop, um diese Beobachtungsstudie in 26 Lichtjahren Entfernung durchzuführen.

Ein Entwurf eines verwandten neuen Artikels, der von den Forschern am 10. April 2023 veröffentlicht wurde, wurde zur Veröffentlichung in den Astrophysical Journal Letters angenommen.

Webb-Teleskop erkennt Wasserdampf

GJ 486 b ist ein terrestrischer Planet mit dem 1,3-fachen Volumen der Erde und der 3-fachen Masse der Erde. Aus diesem Grund sprechen Astronomen von einer Supererde. Seine Umlaufbahn liegt so nahe an der seines Sterns, dass er eine Umlaufbahn in nur 1,5 Tagen vollendet. Leider schätzen Wissenschaftler die Temperatur auf bis zu 430 Grad Celsius, was es unwahrscheinlich macht, dass dort Leben möglich ist. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass er offenbar gezeitengebunden ist und daher seinem Stern immer mit der gleichen Seite zugewandt ist.

Trotz dieser hohen Temperaturen könnte in der Atmosphäre von GJ 486 b noch Wasserdampf vorhanden sein, vorausgesetzt, der Planet hat eine Atmosphäre, was noch ungewiss ist.

Allerdings zeigten Webbs Beobachtungen Spuren von Wasserdampf, was schon aufregend war.

Existiert (Wasserdampf) auf dem Planeten oder auf seinem Stern?

Die große Frage ist: Existiert der Wasserdampf auf dem Planeten oder befindet er sich tatsächlich auf seinem Stern?

Der Hauptautor von der University of Arizona kommentierte: „Wir haben eindeutige Spuren gefunden, die nur Wasser hinterlassen kann.“ Wir können jedoch nicht sicher sein, dass das Wasser aus der Atmosphäre des Planeten stammt oder ob der Planet überhaupt eine Atmosphäre hat, und die Beweise für das Wasser stammen tatsächlich vom Stern.

Kevin Stevenson von der Johns Hopkins University fügte hinzu: „Die Entdeckung von Wasserdampf auf einem heißen erdähnlichen Planeten wäre ein großer Durchbruch in der Exoplanetenforschung.“ Allerdings müssen wir Störungen durch Sterne ausschließen.

Planetentransite liefern uns Beweise

Wie also erkennen Wissenschaftler Wasserdampf? Webb beobachtete GJ 486 b, als es von der Erde aus gesehen nicht nur einmal, sondern zweimal vor seinem Stern vorbeizog. Jeder Transit dauert etwa eine Stunde. Die Forscher analysierten die Daten mithilfe von drei Techniken.

Interessanterweise führten alle drei Methoden zu ähnlichen Ergebnissen, wobei die Transmissionsspektren von Planeten und Sternen größtenteils flach waren. Allerdings kam es zu einem plötzlichen Anstieg im Spektrumbereich des kürzesten Infrarotlichts. Was also ist der Grund für diesen Anstieg? Welche Atome waren nach Erkenntnissen der Wissenschaftler dafür verantwortlich? Um dies zu untersuchen, erstellten die Forscher am Computer Modelle mit verschiedenen Atomen. Es stellte sich heraus, dass Wasserdampf die beste Erklärung für diese Beobachtung war.

Das Emissionsspektrum von GJ 486 b weist auf das Vorhandensein von Wasserdampf hin. Das obige Diagramm vergleicht zwei Modelle, wo Wasserdampf vorkommen könnte: in der Atmosphäre oder in Sternflecken. Bildnachweis: NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Sarah E. Moran (University of Arizona)/ Kevin B. Stevenson (APL)/ Ryan MacDonald (University of Michigan)/ Jacob A. Lustig-Yaeger (APL).

Gibt es in Sternflecken Wasserdampf?

Wenn in der Atmosphäre von Planeten kein Wasserdampf vorhanden ist, dann existiert er in den Sternflecken von Roten Zwergen. Das sind dunkle Flecken auf der Oberfläche von Sternen, die den Sonnenflecken auf unserer Sonne ähneln. Ist das möglich? Wie durch ein Wunder kann Wasserdampf in Sternflecken existieren, da die Temperatur in ihrem Inneren viel niedriger ist als die der umgebenden Sonnenoberfläche.

Da die Temperatur des Sterns GJ 486 b bereits viel niedriger ist als die unserer Sonne, gehen die Forscher davon aus, dass die Temperatur in seinen Sternflecken auch viel niedriger sein muss als die der Sonnenflecken. Daher könnten die Flecken des Sterns noch mehr Wasserdampf speichern. Wenn ein Planet während seines Transits einen Sternfleck passiert, würde dieses Phänomen den Eindruck erwecken, dass der Wasserdampf im Sternfleck auf dem Planeten vorhanden ist. Es handelt sich um eine lobenswerte Theorie, obwohl ein Problem bestehen bleibt: Wissenschaftler haben noch nie einen Planeten beobachtet, der vor einem Sternfleck vorbeizieht. Es ist aber auch möglich, dass es Sternflecken gibt, die die Astronomen noch nicht gesehen haben.

Co-Autoren von der University of Michigan meinen: „Wir haben noch nie einen Planeten beobachtet, der vor einem Sternfleck vorbeizieht.“ Das heißt jedoch nicht, dass es auf dem Stern keine anderen Flecken gibt. Und die Physik dieses Phänomens führt dazu, dass es letztendlich so aussieht, als befänden sich die Wassermoleküle in der Atmosphäre.

Weitere und tiefere Beobachtungen sind nötig

Bis heute ist unklar, ob die Quelle des Wasserdampfs ein Planet oder ein Stern ist. Die Forscher sagen, dass sie mit beiden Komponenten des Webb-Teleskops noch weitere Beobachtungen durchführen müssen, um die genaue Quelle des Wasserdampfs zu bestimmen.

Das Mid-Infrared Instrument (MIRI) wird die sonnenzugewandte Seite des Planeten beobachten. Wenn ein Planet keine oder nur eine sehr dünne Atmosphäre hat, ist der heißeste Bereich auf der Tagseite des Planeten dem Stern zugewandt. Wenn sich die heißesten Bereiche gleichzeitig bewegen, würde dieses Phänomen auf die Existenz einer Atmosphäre hinweisen, in der Wärme zirkulieren kann.

Darüber hinaus kann das Near Infrared Imaging and Slitless Spectroscopy (NIRISS)-Instrument unterscheiden, ob dieses Phänomen durch die Atmosphäre des Planeten oder durch Sternflecken verursacht wird. Doch nur eine Kombination von Instrumenten kann schlüssig feststellen, ob auf GJ 486 b Wasserdampf vorhanden ist.

Stevenson weist darauf hin: Um wirklich feststellen zu können, ob ein Planet eine Atmosphäre hat, bedarf es einer Kombination von Instrumenten.

Im Jahr 2019 berichteten Astronomen, dass sie in der Atmosphäre einer anderen Supererde, K2-18b, Wasserdampf gefunden hätten. Der Planet galt einst als bewohnbar. Die Forscher sagten damals, der Planet sei eher ein Gaszwerg mit einer dichten Atmosphäre aus Wasserstoff und wahrscheinlich keiner festen Oberfläche.

VON: Paul Scott Anderson

FY: Hu Yushu

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