JWST zeigt: Morgen und Abend auf fremder Welt sind extrem verschieden

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) hat auf einem fernen Planeten eine Entdeckung gemacht, die Astronomen seit Jahrzehnten vorhersagten, aber nie beweisen konnten: Die Morgen- und die Abenddämmerung eines Exoplaneten unterscheiden sich dramatisch voneinander. Der Planet mit der Bezeichnung WASP-121 b ist ein sogenannter ultraheißer Gasriese – ein Planet, der seinem Stern so nah ist, dass ein Jahr dort nur 30 Stunden dauert. Durch die starke Gezeitenkraft zeigt eine Seite permanent zum Stern (ewiger Tag) und die andere ins All (ewige Nacht). Die Übergangszone zwischen diesen beiden Extremen nennen Forscher den Terminator – und genau dort haben sie nun gemessen.

Das Team um Cyril Gapp vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg nutzte eine besondere Eigenschaft des Teleskops: Während der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, filtert seine Atmosphäre einen Teil des Sternenlichts. Indem die Forscher dieses gefilterte Licht über die gesamte Dauer des Transit – also des Vorbeizugs – hinweg analysierten, konnten sie verschiedene Längengrade des Planeten abtasten. Das Ergebnis war eindeutig: Die Abendseite absorbiert deutlich mehr Licht als die Morgenseite. Der Grund sind gewaltige Winde, die die Hitze der Tagseite ostwärts in Richtung der Planetenrotation transportieren und die Abendregion dadurch extrem aufheizen.

Die Temperaturen auf WASP-121 b sind atemberaubend: Auf der Tagseite herrschen rund 2.500 Grad Celsius, auf der Nachtseite etwa 725 Grad. Die Abenddämmerung liegt mit rund 2.000 Grad deutlich über der Morgendämmerung. Diese Hitze dehnt die Atmosphäre aus, sodass sie mehr Sternenlicht absorbiert – ein Effekt, den die Forscher nun erstmals direkt messen konnten. „Mit seiner beispiellosen Beobachtungsqualität gibt uns JWST die detailliertesten Einblicke in ferne Planeten, die es je gab“, sagt Gapp. „Indem wir messen, wie sich die Absorption des Sternenlichts verändert, während WASP-121 b rotiert, untersuchen wir seine Atmosphäre Längengrad für Längengrad.“

Die Analyse des Lichtspektrums – also der Zerlegung des Lichts in seine verschiedenen Wellenlängen, ähnlich wie ein Prisma einen Regenbogen erzeugt – verriet den Forschern noch mehr. Das Signal von Kohlenmonoxid (CO) veränderte sich im Verlauf des Transit, was auf Temperatureffekte zurückgeht. Noch aufschlussreicher war das Wassersignal: In den heißeren Regionen der Atmosphäre nahm die Menge an Wassermolekülen (H2O) ab. Die Forscher interpretieren dies als echten Schwund – die Temperaturen sind so extrem, dass sie Wassermoleküle in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Dies ist ein weiterer Beleg dafür, dass heiße Winde die Abendseite aufheizen.

Um ihre Messungen zu überprüfen, erstellten die Astronomen Computermodelle des Wärmetransports in der oberen Atmosphäre eines Gasriesen. Die Modelle reproduzierten die grundlegende Asymmetrie, aber der beobachtete Effekt war stärker als vorhergesagt. Das deutet darauf hin, dass zusätzliche Prozesse die Atmosphäre beeinflussen. Eine mögliche Erklärung: Auf der Morgenseite könnten Wolken aus Mineralien wie Silikaten existieren – ähnlich wie irdische Wolken, aber aus Gesteinsstaub statt Wassertröpfchen. Diese Wolken würden Infrarotstrahlung aus heißeren Schichten blockieren und die Atmosphäre kühler erscheinen lassen. Als die Forscher ihre Simulationen um einen groben Wolkeneffekt ergänzten, passten die Ergebnisse deutlich besser zu den Beobachtungen.

Die Bedeutung dieser Entdeckung geht weit über einen einzelnen Planeten hinaus. Die Methode, die Atmosphäre eines Exoplaneten während seines Transit Längengrad für Längengrad zu kartieren, ist neu und könnte auf viele weitere ultraheiße Gasriesen angewendet werden. Das Team hat bereits andere Kandidaten identifiziert, die ähnliche Bedingungen aufweisen. „Indem wir diese Technik auf eine größere Stichprobe von Planeten anwenden, können wir vergleichen, wie sich die atmosphärischen Bedingungen auf verschiedenen Welten unterscheiden“, erklärt Koautor Tom Evans-Soma von der University of Newcastle in Australien. „Das wird uns helfen, die dreidimensionale Struktur dieser extremen Atmosphären zu verstehen.“ Für die Astronomie ist dies ein großer Schritt – nicht nur, weil er eine langjährige theoretische Vorhersage bestätigt, sondern weil er zeigt, dass wir mit den heutigen Teleskopen beginnen können, die Wetterkarten ferner Welten zu zeichnen.