400 Grad Unterschied auf TRAPPIST-1: Zwei Planeten ohne Atmosphäre

Das James-Webb-Weltraumteleskop hat erstmals vollständige thermische Karten felsiger Exoplaneten außerhalb des Sonnensystems erstellt — und die Befunde sind eindeutig. Die beiden sonnnächsten Planeten des Systems TRAPPIST-1 weisen einen Temperaturunterschied von mehr als 400 Grad Celsius zwischen ihrer dauerhaft beleuchteten und ihrer dauerhaft dunklen Hemisphäre auf. Ein solcher Temperatursprung ist physikalisch nur möglich, wenn kein Gasgemisch vorhanden ist, das Wärme von der Tag- zur Nachtseite transportiert. TRAPPIST-1 b und TRAPPIST-1 c sind atmosphärenlose Gesteinsplaneten.

Das TRAPPIST-1-System hatte seit seiner Entdeckung als vielversprechendste Adresse in der Suche nach außerirdischem Leben gegolten. Der Rote Zwerg in der Konstellation Wassermann, 39 Lichtjahre von der Erde entfernt, wird von sieben erdgroßen Planeten umkreist. Drei davon befinden sich innerhalb der sogenannten habitablen Zone — jenes Bereichs um eine Stern, in dem Oberflächentemperaturen die Existenz flüssigen Wassers theoretisch ermöglichen würden. Rote Zwerge sind die häufigsten Sterne der Milchstraße und machen über drei Viertel aller Sterne aus; dass erdgroße Planeten besonders häufig um sie herum entstehen, hatte die Frage nach Lebensformen in solchen Systemen in den Mittelpunkt der Exoplanetenforschung gerückt.

Das Team um die Astronomin Emeline Bolmont von der Universität Genf nutzte das MIRI-Instrument des James-Webb-Teleskops, um sogenannte thermische Phasenkurven beider Planeten aufzunehmen. Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der die kombinierte Infrarotstrahlung des Stern-Planet-Systems über mehrere vollständige Umläufe hinweg verfolgt wird. Da TRAPPIST-1 b seinen Stern in nur eineinhalb Erdtagen umrundet, kann Webb den gesamten Temperaturzyklus des Planeten innerhalb kurzer Zeit erfassen — von der sonnenzugewandten Seite über den Terminator bis zur dauernachtseitigen Hemisphäre. Wie das Team berichtet, gelang damit weltweit erstmals die vollständige klimatische Kartierung eines terrestrischen Exoplaneten.

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Der entscheidende physikalische Mechanismus ist die Gezeitenbindung. Weil Rote Zwerge deutlich kleiner und kühler als die Sonne sind, umkreisen ihre Planeten sie in sehr geringen Abständen. Bei dieser Nähe synchronisieren Gezeitenkräfte die Eigenrotation des Planeten mit seiner Umlaufzeit — ähnlich wie der Mond im Verhältnis zur Erde stets dieselbe Seite zeigt. Das Resultat ist eine Seite in permanentem Tageslicht und eine Seite in permanenter Nacht. Auf einem Planeten mit dichter Atmosphäre würden atmosphärische Strömungen Wärme von der erhitzten zur eiskalten Seite transportieren und den Temperaturunterschied abpuffern. Der von Webb gemessene Unterschied von über 400 Grad Celsius belegt, dass dieser Ausgleich nicht stattfindet — und damit, dass keine für eine solche Wärmeumverteilung ausreichende Atmosphäre vorhanden ist.

Webb-Daten liefern indirekten Nachweis

Es gilt jedoch, eine methodische Einschränkung festzuhalten. Thermische Phasenkurven weisen das Fehlen einer dichten Atmosphäre nach, erlauben aber keine direkte Aussage über die Oberflächenzusammensetzung der Planeten oder die mögliche Existenz einer sehr dünnen Gashülle unterhalb der Nachweisgrenze. Ebenso wenig lässt sich aus den Daten ablesen, wann genau der Atmosphärenverlust eingesetzt hat — ob in der frühen Phase des Systems oder über längere Zeiträume durch den intensiven Ultraviolett- und Teilchenfluss des Roten Zwergs. Nach Angaben der Forschungsgruppe stützen ihre theoretischen Modelle die Hypothese, dass gerade diese aggressive Strahlungsumgebung Roter Zwerge eine zentrale Rolle beim Atmosphärenverlust innerer Planeten spielt.

Folgenreich ist dabei die Unterscheidung zwischen den inneren und äußeren Planeten des Systems. Bolmont und ihr Team betonen ausdrücklich, dass das Schicksal von TRAPPIST-1 b und c keine zwingenden Rückschlüsse auf die drei habitablen Planeten TRAPPIST-1 e, f und g zulässt. Der Vergleich mit dem Sonnensystem ist instruktiv: Merkur, der sonnnächste Planet, besitzt keine Atmosphäre; Venus und Erde, die in größerem Abstand von der Sonne stehen, haben ihre Atmosphären erhalten. Planetare Habitabilität hängt nicht allein von der Entfernung zur Zentralsonne ab, sondern auch von Planetenmasse, geologischer Geschichte und der jeweiligen Intensität des Sternwinds.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht. Beobachtungen von TRAPPIST-1 e — dem in der Mitte der habitablen Zone positionierten Planeten — laufen derzeit im Rahmen des DREAMS-Programms des Space Telescope Science Institute. Fünfzehn weitere Transits sind geplant. Sollte TRAPPIST-1 e eine Atmosphäre besitzen, wird Webb die Instrumente haben, um es nachzuweisen. Die Frage nach Leben im bekanntesten Exoplanetensystem ist nicht beantwortet — sie ist präziser geworden.

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