Die häufigsten Sterne im Universum sind rote Zwergsterne, was bedeutet, dass felsige Exoplaneten am ehesten in der Umlaufbahn eines solchen Sterns zu finden sind. Rote Zwergsterne sind kühl, so dass ein Planet in einer engen Umlaufbahn um den Stern kreisen muss, um warm genug zu bleiben, damit er möglicherweise flüssiges Wasser beherbergen kann (was bedeutet, dass er in der bewohnbaren Zone liegt). Solche Sterne sind auch aktiv, insbesondere wenn sie jung sind, und setzen Ultraviolett- und Röntgenstrahlung frei, die Planetenatmosphären zerstören könnte. Eine wichtige offene Frage in der Astronomie ist daher, ob ein Gesteinsplanet in einer solch rauen Umgebung eine Atmosphäre aufrechterhalten oder wiederherstellen kann.
Um diese Frage zu beantworten, untersuchten Astronomen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA einen felsigen Exoplaneten namens GJ 486 b. Mit einer Oberflächentemperatur von etwa 430 Grad Celsius liegt er zu nahe an seinem Stern, um in der bewohnbaren Zone zu sein. Dennoch zeigen ihre Beobachtungen mit dem Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) von Webb Anzeichen von Wasserdampf. Wenn der Wasserdampf mit dem Planeten in Verbindung steht, würde das darauf hindeuten, dass er trotz seiner sengenden Temperatur und der Nähe zu seinem Stern eine Atmosphäre besitzt. Wasserdampf wurde schon früher auf gasförmigen Exoplaneten beobachtet, aber bisher wurde noch keine Atmosphäre um einen felsigen Exoplaneten definitiv nachgewiesen. Das Team gibt jedoch zu bedenken, dass der Wasserdampf vom Stern selbst stammen könnte – insbesondere von kühlen Sternflecken – und nicht vom Planeten selbst.
„Wir sehen ein Signal, und das ist mit ziemlicher Sicherheit auf Wasser zurückzuführen. Aber wir können noch nicht sagen, ob dieses Wasser Teil der Planetenatmosphäre ist, was bedeutet, dass der Planet eine Atmosphäre hat, oder ob wir nur eine Wassersignatur sehen, die vom Stern kommt“, sagt Sarah Moran von der University of Arizona in Tucson, Hauptautorin der Studie.
GJ 486 b ist etwa 30 % größer als die Erde und dreimal so massiv
„Wasserdampf in einer Atmosphäre auf einem heißen Gesteinsplaneten wäre ein großer Durchbruch für die Exoplanetenforschung. Aber wir müssen vorsichtig sein und sicherstellen, dass der Stern nicht der Übeltäter ist“, fügte Kevin Stevenson vom Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, hinzu, der das Programm leitete.
GJ 486 b ist etwa 30 % größer als die Erde und dreimal so massiv, was bedeutet, dass es sich um eine felsige Welt mit stärkerer Schwerkraft als die Erde handelt. Er umkreist einen roten Zwergstern in knapp 1,5 Erdtagen. Es wird erwartet, dass er gezeitengebunden ist, mit einer permanenten Tagseite und einer permanenten Nachtseite.
GJ 486 b umkreist seinen Stern und kreuzt dabei aus unserer Sicht vor dem Stern. Wenn er eine Atmosphäre hat, würde das Sternenlicht beim Transit durch diese Gase gefiltert werden und im Licht Fingerabdrücke hinterlassen, die es den Astronomen ermöglichen, die Zusammensetzung des Sterns mit einer Technik namens Transmissionsspektroskopie zu entschlüsseln.
Das Team beobachtete zwei Transits, die jeweils etwa eine Stunde dauerten. Anschließend analysierten sie die Daten mit drei verschiedenen Methoden. Die Ergebnisse aller drei Methoden stimmen insofern überein, als sie ein weitgehend flaches Spektrum mit einem faszinierenden Anstieg bei den kürzesten Infrarotwellenlängen zeigen. Das Team führte Computermodelle durch, die eine Reihe verschiedener Moleküle berücksichtigten, und kam zu dem Schluss, dass die wahrscheinlichste Quelle des Signals Wasserdampf ist.
Während der Wasserdampf möglicherweise auf das Vorhandensein einer Atmosphäre auf GJ 486 b hinweisen könnte, ist eine ebenso plausible Erklärung der Wasserdampf des Sterns. Überraschenderweise kann sogar in unserer eigenen Sonne Wasserdampf in Sonnenflecken vorkommen, da diese Flecken im Vergleich zur umgebenden Oberfläche des Sterns sehr kühl sind. Der Wirtsstern von GJ 486 b ist viel kühler als die Sonne, so dass sich noch mehr Wasserdampf in seinen Sternflecken konzentrieren würde. Dadurch könnte er ein Signal erzeugen, das eine Planetenatmosphäre imitiert.
„Wir haben keine Anzeichen dafür beobachtet, dass der Planet während der Transits Sternflecken durchquert hat. Das heißt aber nicht, dass es nicht auch anderswo auf dem Stern Flecken gibt. Und das ist genau das physikalische Szenario, das dieses Wassersignal in die Daten einprägt und wie eine Planetenatmosphäre aussehen könnte“, erklärt Ryan MacDonald von der University of Michigan in Ann Arbor, einer der Mitautoren der Studie.
Man geht davon aus, dass eine Wasserdampfatmosphäre aufgrund der stellaren Erwärmung und Strahlung allmählich erodiert. Wenn also eine Atmosphäre vorhanden ist, müsste sie wahrscheinlich ständig durch Vulkane aufgefüllt werden, die Dampf aus dem Inneren des Planeten ausstoßen. Wenn sich das Wasser tatsächlich in der Atmosphäre des Planeten befindet, sind weitere Beobachtungen erforderlich, um die Menge des vorhandenen Wassers einzugrenzen.
Künftige Webb-Beobachtungen könnten mehr Licht in dieses System bringen. Ein bevorstehendes Webb-Programm wird das Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) einsetzen, um die Tagseite des Planeten zu beobachten. Wenn der Planet keine oder nur eine dünne Atmosphäre hat, wird erwartet, dass sich der heißeste Teil der Tagseite direkt unter dem Stern befindet. Wenn der heißeste Punkt jedoch verschoben ist, deutet dies auf eine Atmosphäre hin, die Wärme zirkulieren kann.
