Unser Wissen über Planeten beruhte lange ausschließlich auf unserem eigenen Sonnensystem. Dass dies aber nicht unbedingt typisch sein muss, zeigen nun Beobachtungen der Atmosphäre eines Exoplaneten.
Mit den Weltraumteleskopen Hubble und Spitzer haben Astronomen die Atmosphäre eines 430 Lichtjahre entfernten Planeten untersucht. Der HAT-P-26b genannte Himmelskörper ist in etwa so schwer wie Neptun, der äußerste Planet des Sonnensystems. Wie dieser besitzt er keine feste Oberfläche: Ein Eis- und Gesteinskern ist von einer zunächst flüssigen und schließlich dichten gasförmigen Hülle umgeben. Diese Atmosphäre, so ergab die Untersuchung von Hannah Wakeford vom Goddard Space Flight Center der Nasa im amerikanischen Bundesstaat Maryland und einigen Kollegen, hat bei HAT-P-26b eine zwanzigfach kleinere „Metallizität“ als Neptun. Planeten oder Sterns – wobei „Metalle“, astronomisch gesehen alle chemischen Elemente, schwerer als Wasserstoff und Helium sind, also auch Kohlenstoff oder Sauerstoff. Der Grad der Anreicherung der planetaren Atmosphäre mit schweren Elementen kann Hinweise auf die vergangene Entwicklung des Planeten liefern, da konkurrierende Modelle der Planetenentstehung diesbezüglich verschiedene Vorhersagen treffen. Insbesondere die in unserem Sonnensystem beobachtete Korrelation der Masse der Gasriesen mit ihrer Metallizität ist ein wichtiger Anhaltspunkt zur Beurteilung von Modellen.
Unser Sonnensystem kennen wir am besten, aber können wir von unseren Planeten auf andere schließen?
Vor diesem Hintergrund ist die beobachtete geringe Metallizität von HAT-P-26b überraschend, meint Wakeford: „Wir haben gerade erst begonnen, die Atmosphären entfernter Planeten mit der Masse von Neptun zu untersuchen und finden gleich zu Beginn einen solchen Ausreißer von dem aus dem Sonnensystem bekannten Trend.“ HAT-P-26b ist erst der vierte Gasplanet außerhalb des Sonnensystems, dessen Metallizität bestimmt werden konnte.
Die Atmosphäre eines Exoplaneten zu untersuchen ist ein messtechnisches Kunststück: Es gelang nur, weil HAT-P-26b alle vier Tage von der Erde aus gesehen vor seinem sonnenähnlichen Stern im Sternbild Jungfrau vorbeiläuft. Bei diesen Transits verdeckt der Planet einen kleinen Teil des Sternlichts. Ein noch geringerer Teil passiert seine Atmosphäre, wobei diese bestimmte Wellenlängen des Sternlichts schluckt und andere ungehindert passieren lässt. Die absorbierten Wellenlängen hängen von den in der Planetenatmosphäre enthaltenen Gasen ab – dadurch können die Astronomen die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen. Begünstigt wird dies im Fall von HAT-P-26b durch die Tatsache, dass er seinen Stern in einem Abstand von nur fünf Prozent der Distanz Erde–Sonne umrundet. Durch die entsprechend hohen Temperaturen und die im Vergleich zu anderen großen Exoplaneten verhältnismäßig geringe Schwerkraft des Planeten hat sich seine Atmosphäre stark aufgebläht. Damit passiert mehr Sternlicht seine Gashülle, als es bei einem kompakteren Planeten der Fall wäre. Außerdem ist die Häufigkeit der Transits bei der entsprechend kurzen Umlaufszeit von 4,2 Tagen größer als bei Planeten in weiteren Orbits.
In dem aus den Daten von sechs Transits gewonnenen Spektrum fanden sie Absorptionslinien von Wassermolekülen – die Atmosphäre des Planeten enthält offenbar große Mengen Wasser und wahrscheinlich auch eine absorbierende Wolkendecke. Da Wassermoleküle Sauerstoff enthalten, dienten sie den Astronomen als Indikator für die Konzentration der schweren Elemente in der Planetenatmosphäre. Die auf diese Weise ermittelte Metallizität von HAT-P-26b entspricht mehr der des Planeten Jupiter als der des Neptun. Die unterschiedlichen Konzentrationen in den Atmosphären der Gasplaneten erklärt man sich in unserem Sonnensystem dadurch, dass sich die Planeten ihrer gegenwärtigen Anordnung gemäß in unterschiedlichen Abständen zur Sonne gebildet haben: Jupiter und Saturn weiter innen, Uranus und Neptun außen. In größerem Abstand zur Sonne gab es auch mehr eishaltige Asteroiden, die Überbleibsel der Planetenentstehung. Diese transportierten später Wasser und andere schwere Substanzen in die Atmosphären von Uranus und Neptun. In den inneren und wärmeren Gebieten, in denen Jupiter und Saturn entstanden, gab es hingegen weniger Eisbrocken und damit auch weniger schwere Elemente.
In diesem Modell müsste sich HAT-P-26b näher an seinem Stern gebildet haben als Neptun an der Sonne, schließen die Forscher. Alternativ könnte er erst deutlich später in der Entwicklung seines Sternsystems entstanden sein, als dies bei den Planeten des Sonnensystems der Fall war. In einem möglichen Szenario entstand HAT-P-26b aus der den Stern umgebenden Gas- und Staubscheibe in einem Abstand, der etwa dem des Jupiter im Sonnensystem entspricht, möglicherweise zusammen mit weiteren Planeten.
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Störungen durch die Staubscheibe führten dann dazu, dass der Planet näher an seinen Stern bis auf seinen heutigen Orbit rückte. Diese „planetare Migration“ ist nach Meinung der Astronomen in vielen Planetensystemen üblich. Dass sie in unserem Sonnensystem offenbar nicht stattfand, ist eines der größten Rätsel der aktuellen Exoplanetenforschung. „Indem wir andere Exoplaneten anschauen, lernen wir kontinuierlich über unser eigenes Sonnensystem“, so Wakeford. „Studien wie die unsrige helfen uns, die ultimative Frage zu beantworten: Wie wahrscheinlich ist es, dass ein Sonnensystem wie das unsere entsteht?“