Hubble beobachtet die Entstehung einer neuen Atmosphäre auf einem erdartigen Planeten

Künstlerische Darstellung des erdartigen Planeten “GJ 1132 b” mit einer dunstigen Gashülle (Illu.). Copyright: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)
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Künstlerische Darstellung des erdartigen Planeten “GJ 1132 b” mit einer dunstigen Gashülle (Illu.). Copyright: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

Künstlerische Darstellung des erdartigen Planeten “GJ 1132 b” mit einer dunstigen Gashülle (Illu.).
Copyright: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

Cambridge (Großbritannien) – Zum ersten Mal ist es Astronomen gelungen, vulkanische Aktivität auf einem fernen Planeten zu beobachten, durch den sich auf diesem Felsplaneten eine neue Atmosphäre bildet. Noch faszinierender ist jedoch der Umstand, dass es sich bei dem Planeten nicht schon immer um einen erdartigen Planeten, sondern um den felsigen Kern eines einstigen kleinen Gasplaneten zu handeln scheint.

Wie das Team um Paul Rimmer von der University of Cambridge in einer kommenden Ausgabe des „The Astronomical Journal“ berichten wird, umkreist der Planet mit der Bezeichnung „GJ 1132 b“ den gerade einmal 39 Lichtjahre von der Sonne entfernten roten Zwergstern „GJ 1132“ und besitzt eine der Erde ähnliche Dichte, Größe und ein vergleichbares Alter.

Allerdings war „GJ 1132 b“ nicht immer schon ein erdartiger Felsplanet. Stattdessen handelt es sich um den felsigen Kern eines einstigen dichten Gasplaneten mit dem ehemals mehrfachen Radius der Erde – ein sogenannter „Sub-Neptun“.

Durch die intensive Einwirkung der Strahlung seines damals ebenfalls noch jungen und heißen Sterns, habe dieser „Sub-Neptun“ allerdings schon recht früh seine urzeitliche Wasserstoff-Helium-Atmosphäre verloren. Zurück blieb schon nach kurzer Zeit dieser Wechselwirkung ein erdgroßer Felskern.

Auch zur Überraschung der beobachtenden Astronomen zeigen die neuen Aufnahmen mit dem Weltraumteleskop „Hubble“ nun jedoch, dass eine zweite Atmosphäre die ursprüngliche ersetzt hat. Diese sei nun reich an Wasserstoff, Hydrogenzyanid, Methan und Ammoniak und sei angefüllt von einem Kohlenwasserstoffdunst.

Die Astronomen um Rimmer vermuten nun, dass die ursprüngliche Atmosphäre teilweise von dem geschmolzenen Magma-Mantel des Planeten absorbiert wurde und nun nach und nach durch Vulkanismus in Form einer neuen Atmosphäre wieder abgegeben wird.

Infografik zum Spektrum der Atmosphäre des erdartigen Planeten “GJ 1132 b” (Illu.). Die orangefarbene Linie bildet das Modellspektrum im Vergleich zum beobachteten Spektrum (blaue Punkte) ab. Entsprechend besteht die Atmosphäre hauptsächlich aus Wasserstoff, vermischt mit Methan und Hydrogenzyanid. Copyright: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

Infografik zum Spektrum der Atmosphäre des erdartigen Planeten “GJ 1132 b” (Illu.).
Die orangefarbene Linie bildet das Modellspektrum im Vergleich zum beobachteten Spektrum (blaue Punkte) ab. Entsprechend besteht die Atmosphäre hauptsächlich aus Wasserstoff, vermischt mit Methan und Hydrogenzyanid.
Copyright: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

Obwohl auch die neue Atmosphäre ins All entweicht, werde sie aber von einem offenbar im Magma des Planetenmantels gespeicherten Wasserstoffreservoir stetig aufgefüllt: „Diese zweite Atmosphäre kommt von der Oberfläche und aus dem Inneren des Planeten. Es handelt sich also um ein wichtiges Fenster in die Geologie einer fernen Welt“, so Rimmer weiter.

„Da man davon ausgegangenen war, dass derartige hochgradig verstrahlte Planeten ihre Atmosphären ein für allemal verloren hätten, gingen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bislang davon aus, dass diese aus geologischer, geschweige denn biologischer Sicht ziemlich langweilig seien“, fügt die Mitautorin der Studie Raissa Estrela vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena hinzu. „Jetzt aber sehen wir, dass das nicht das Endstadium solcher Planeten sein muss und dass diese Welten aus sich heraus neue Atmosphären bilden können.“

Wieviele erdartige Planeten nicht direkt als Felsplaneten beginnen, ist bislang nicht bekannt. „Einige Planeten scheinen als Sub-Neptune zu entstehen und werden dann durch einen Mechanismus zu einem erdartigen Planeten. Dieser Prozess findet sehr früh in der Planetengeschichte statt, wenn der Mutterstern selbst noch sehr heiß ist“, erläutert Mark Swain, ebenfalls vom Jet Propulsion Laboratory. “Wenn der Stern dann abkühlt, führt der beschriebene Mechanismus dazu, dass nach etwa 100 Millionen Jahren der hüllenlose Planet abkühlt und danach eine neue, dann eine dauerhafte Atmosphäre regenerieren kann.“

Während “GJ 1132 b” durchaus einige Parallelen zur Erde aufweist, unterscheiden sich beiden Planeten aber auch voneinander: Beide haben eine ähnliche Dichte, Größe und sind mit rund 4.5 Milliarden Jahren auch in etwa gleich alt. Beide hatten zunächst eine von Wasserstoff dominierte Atmosphäre und beide Planeten waren sehr heiß, bevor sie abkühlten. Anhand der Beobachtungsdaten vermuten die Wissenschaftler nun sogar, dass „GJ 1132 b“ einen ähnlichen Oberflächendruck besitzt wie unsere Erde.

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Zugleich unterscheide sich aber die Entstehungsgeschichte der beiden Himmelskörper grundlegend: Die Erde ist vermutlich kein Restkern eines einstiges Gaszwerges. Diese Erde umkreist ihre Sonne auch in einem gemütlichen Abstand. „GJ 1132 b” hingegen umkreist seinen Mutterstern, einen sogenannten Roten Zwerg, derart nah, dass er für eine Umrundung gerade einmal 1,5 Tage benötigt und ist dadurch an seinen Stern vermutlich gezeiten- bzw. rotationsgebunden ist – er weist diesem also (wie der Mond unserer Erde) stets die gleiche Seite zu.

Wie der Mantel allerdings heiß genug bleiben kann, um flüssig zu bleiben und dadurch Vulkanismus antreiben zu können, wissen die Forschenden bislang noch nicht genau. „Dieses System scheint sehr speziell, es könnte aber genügend Möglichkeiten für eine Gezeitenerhitzung haben.“ Hierbei handelt es sich um die Erhitzung eines Himmelskörpers (Planet oder Mond) durch die Gezeiteneinwirkung der Schwerkraft seines Mutterkörpers (Stern oder Planet) während der Umrundung, die im Innern des Körpers in Hitze umgewandelt wird. „GJ 1132 b” hat eine elliptische Umlaufbahn um seinen Stern, was tatsächlich zu starken Gezeitenkräften führt, die auf den Planeten immer dann am stärksten einwirken, wenn dieser seinem Stern am nächsten und entferntesten ist. Hinzu wirke sich auch ein zweiter Planet in dem System durch seine Gravitation auf „GJ 1132 b” aus. Auf diese Weise könnte der Planeten von diesen auf ihn wirkenden unterschiedlichen Kräften fortwährend gezogen und gestaucht werden. Diese Gezeitenerhitzung würde den Mantel lange Zeit flüssig halten. Auf diese Weise könnte man den Planeten mit dem Jupitermond Io vergleichen, der durch die Gezeitenwirkung des Jupiters und seiner Nachbarmonde fortwährenden Vulkanismus aufweist.

Die Forscher glauben zudem, dass die Planetenkruste von „GJ 1132 b“ extrem dünn ist, möglicherweise nur wenige hundert Meter dick. Da dies zu wenig ist, um vulkanische Gebirge tragen zu können, gehen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen davon aus, dass die Oberfläche des Planeten flach und wie ein angeschlagenes Ei von Rissen und Spalten durchzogen ist, aus denen Wasserstoff und andere Gase austreten.

„Wenn die Atmosphäre dünn ist, bedeutet das, dass auch der Druck ähnlich ist, wie der auf der Erde. Im infraroten Lichtspektrum könnten wir dann vielleicht sogar bis auf die Oberfläche blicken. Das wiederum heißt, dass wir mit dem James Webb Space Telescope (JWST) nicht nur das Spektrum der Atmosphäre, sondern auch das der Oberfläche sehen könnten. Wenn es dann auf der Oberfläche Magmateiche und flachen Vulkanismus gibt, so könnten diese Merkmale aktiver Geologie als solche erkannt werden.“

„Wir könnten also anhand des Studiums der fernen Atmosphäre auch etwas über die Geologie des Planeten erfahren“, zeigt sich Rimmer abschließend fasziniert. „Das wäre auch für unser Verständnis darüber wichtig, wie die Felsplaneten Merkur, Venus und Mars in das größere Gesamtbild der vergleichenden Planetenforschung passen.“




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Quelle: ESA/Hubble Information Centre

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