Das James Webb Space Telescope (JWST) hat einen Wetterbericht über einen fernen Planeten erstellt.
Das leistungsstarke Weltraumteleskop namens Wasp-43b sagt extreme Windgeschwindigkeiten, extrem heiße Temperaturen und felsige Wolkendecken für die Welt voraus. Somit zeigt der extrasolare Planet oder „Exoplanet“, wie seltsam fremde Planeten außerhalb des Sonnensystems sein können.
WASP-43b umkreist einen Stern, der etwa 283 Lichtjahre von der Erde entfernt ist; Tatsächlich liegt es so nah an seinem Stern, dass es eine Umlaufbahn in nur etwa 19 Erdstunden absolviert. Diese Nähe, die nur etwa 2,1 Millionen Kilometern entspricht, bedeutet, dass der Planet mit einer Masse, die etwa 1,8-mal so groß ist wie die von Jupiter, und einer Breite, die 0,9-mal so groß ist wie die des Gasriesen, durch Gezeiten an seinen Stern WASP-43 gebunden ist. .
Eine Seite von WASP-43b – die Tagseite – ist also ständig dem Stern zugewandt und wird ständig von Strahlung bombardiert, was dazu führt, dass die Temperaturen auf dem Planeten auf etwa 2.300 Grad Fahrenheit (1.250 Grad Celsius) ansteigen. Es ist heiß genug, um Blei zu schmelzen. Die andere Seite des Planeten – seine Nachtseite – ist ständig dem Weltraum zugewandt, wodurch die Temperaturen um bis zu 600 Grad Celsius sinken. Aufgrund dieser Eigenschaften wird WASP-43b als „heißer Jupiter“-Planet eingestuft.
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Das JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS)-Team konnte das Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) des Teleskops nutzen, um das Klima von WASP-43b und die Art des Wetters, das es auf seiner Tag- und Nachtseite erlebt, zu klassifizieren.
„Dank der neuen Beobachtungsleistung des JWST wurde WASP-43b in beispielloser Detailliertheit entdeckt“, sagte Teammitglied Laura Kreidberg, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA), in einer Pressemitteilung. „Wir sehen eine komplexe und unwirtliche Welt mit starken Winden, massiven Temperaturschwankungen und vereinzelten Wolken, die wahrscheinlich aus Gesteinströpfchen bestehen.
„WASP-43b ist eine Erinnerung an die große Vielfalt möglicher Klimazonen auf Exoplaneten und an die vielen Besonderheiten der Erde.“
WASP-43b wurde 2011 aufgrund eines Lichtabfalls entdeckt, den Wissenschaftler bei WASP-43 beobachteten. Aus unserer Sicht kam es zu diesem Einbruch, als der Planet zwischen der Oberfläche seines Sterns und der Erde vorbeizog. Während des Transits stellten Wissenschaftler außerdem fest, dass das Infrarotlicht, das der Planet als Reaktion auf das Sternenlicht aussendete, variierte.
Das Hauptergebnis der JWST-Durchmusterung von WASP-43b wurde dank dieser Variation des Infrarotlichts erzielt, die zwischen der Tag- und der Nachtseite des Exoplaneten beobachtet wurde, während er seinen Stern umkreiste. Insbesondere die Variationen halfen Wissenschaftlern bei der Erstellung einer Karte, die zeigt, wie die Temperaturen über den heißen Jupiter verteilt sind.
Letztendlich stellte das Team fest, dass die Temperaturschwankungen zwischen der Tag- und der Nachtseite von WASP-43b zu groß sind, um sie in einer Atmosphäre ohne Wolkendecke zu beobachten. Allerdings sind Wolken über der Oberfläche von WASP-43b wahrscheinlich nicht wasserbasiert wie diejenigen, die die Erde umhüllen. Es wären nicht einmal Ammoniakwolken, wie man sie um Jupiter sieht. WASP-43b ist für beide einfach zu heiß. Die Wolken dieser Welt könnten stattdessen bestehen Felsen.
Verdampfte Materialien wie Steine werden durch starke Winde mit Geschwindigkeiten von 5.600 Meilen pro Stunde (9.000 Kilometer pro Stunde) von der Tagseite zur Nachtseite von WASP-43b transportiert. Das ist das Dreieinhalbfache der Höchstgeschwindigkeit eines Kampfjets hier auf der Erde. Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieses Material dann auf der Nachtseite des Planeten abkühlt und kondensiert. Das bedeutet, dass die dicke Wolkendecke auf der Nachtseite von WASP-43b wahrscheinlich aus Tröpfchen flüssigen Gesteins besteht, die auf der Tagseite des Planeten verdampft waren. Zu diesem Zweck stellten die Forscher fest, dass die Tagseite von WASP-43b wolkenlos zu sein scheint.
Um die Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-43b zu bestimmen, spaltete das Team das beobachtete Infrarotlicht in verschiedene Wellenlängen auf und erzeugte so ein sogenanntes „Spektrum“. Da Chemikalien und Elemente Licht charakteristischer Wellenlängen absorbieren und emittieren, hinterlassen sie in diesen Spektren „Fingerabdrücke“.
„Mit Hubble konnten wir deutlich sehen, dass es auf der Tagseite Wasserdampf gab. Sowohl Hubble als auch Spitzer schlugen vor, dass es auf der Nachtseite Wolken geben könnte“, sagte Taylor Bell, Teamleiter und Wissenschaftler am NASA Ames Research Center, in der Pressemitteilung freigeben. „Aber wir brauchten präzisere Messungen von JWST, um wirklich mit der Kartierung von Temperatur, Wolkendecke, Winden und einer detaillierteren Atmosphärenzusammensetzung rund um den Planeten beginnen zu können.“
Die JWST-Untersuchung ergab nicht nur, dass überall in WASP-43b Wasserdampf vorkommt, sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Seite, sondern ermöglichte es den Wissenschaftlern auch, einen Mangel an Methan in der Atmosphäre des Planeten festzustellen. Von heißen Jupitern wird normalerweise erwartet, dass sie auf ihrer Nachtseite durch Reaktionen zwischen Wasserstoff und Kohlenmonoxid Wasser und Methan produzieren.
Das Team geht davon aus, dass es WASP-43b an Methan mangelt, weil seine starken Winde diese reaktiven Moleküle zu schnell über die Nachtseite des Planeten blasen, als dass die Moleküle mit irgendetwas reagieren und Methan in nachweisbaren Mengen erzeugen könnten. Jede kleine Menge Methan, die entsteht, würde wahrscheinlich mit anderen Gasen vermischt und schnell in den Tagesteil des Planeten transportiert, wo starke Hitze es zerstören würde.
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Der JWST ist mit WASP-43b noch nicht fertig. Ein separates Team nutzt derzeit das 10 Milliarden US-Dollar teure NIRSpec-Instrument des Teleskops, um eine Folgestudie des Planeten durchzuführen.
Dies sollte nicht nur die MIRI-Temperaturkarte verbessern, sondern diese Beobachtungen sollten auch zu Messungen von Kohlenmonoxidgas in der Atmosphäre von WASP-43b führen und so ein besseres Gesamtbild der chemischen Zusammensetzung dieser extremen Welt liefern.
Die WASP-43b-Ergebnisse wurden am 30. April in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.