Einfach erklärt
Der ferne Planet TOI-561 b ist seinem Stern so nahe, dass ein Jahr dort nur 11 Stunden dauert. Trotzdem könnte er von einer Gashülle und metallhaltigen Wolken umgeben sein, die viel Sternenlicht zurückwerfen. Neue Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop liefern Hinweise darauf, wie der Planet trotz seiner extremen Hitze eine solche Hülle behalten könnte. Woraus sie besteht, ist noch unklar.
Rund 280 Lichtjahre entfernt liegt eine felsige Welt, die der Erde nur darin ähnelt, dass sie eine feste Oberfläche hat. Der Planet heißt TOI-561 b und kreist außergewöhnlich dicht um seinen Stern. Für eine vollständige Runde braucht er gerade einmal 11 Stunden. An seiner Oberfläche herrschen mehr als 1800 Grad Celsius – das entspricht über 3000 Grad Fahrenheit. Doch nicht allein die extreme Hitze weckte das Interesse der Astronominnen und Astronomen: Hinweise deuten darauf hin, dass der glutheiße Planet von einer Atmosphäre und Wolken umgeben sein könnte, die einen großen Teil des Sternenlichts ins All zurückwerfen.
Ein Planet ohne gewöhnlichen Wechsel von Tag und Nacht
Die NASA-Mission TESS entdeckte den Planeten 2020 bei der Suche nach Welten, die andere Sterne umkreisen. Der Name TOI-561 b bezeichnet einen Planeten, der den Stern TOI-561 umkreist. Besonders ist vor allem seine extrem enge Umlaufbahn. Während ein Jahr auf vielen Planeten mehrere Tage oder Monate dauert, benötigt diese Welt nur 11 Stunden, um ihren Stern einmal zu umrunden.
Wegen seiner Nähe zu seinem Stern dreht sich der Planet wahrscheinlich genau einmal um die eigene Achse, während er seinen Stern umrundet. Dadurch zeigt eine Seite stets zum Stern, während die andere dauerhaft von dessen direktem Licht abgewandt bleibt. Auf TOI-561 b gibt es deshalb keinen vertrauten täglichen Wechsel von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang: Eine Hälfte liegt ständig im Licht, die andere immer in Dunkelheit.
Dieser Unterschied dürfte für ein extremes Temperaturgefälle zwischen den beiden Seiten sorgen. Die dem Stern zugewandte Hälfte wird ununterbrochen bestrahlt, die andere erhält kein direktes Licht. Wäre die Tagseite eine nackte Felsfläche ohne Atmosphäre, müsste ihre Temperatur noch höher sein als beobachtet. Das brachte die Forschenden auf eine Frage: Transportiert eine Gasschicht Wärme zur Nachtseite – oder wird ein großer Teil des Sternenlichts zurückgeworfen, bevor er den Boden aufheizen kann?
Das Webb-Teleskop verfolgt den Umlauf des Planeten
Um diese Frage zu untersuchen, beobachtete das Forschungsteam mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, wie sich Helligkeit und Temperatur des Planeten während seines Umlaufs verändern. Die Beobachtungen dauerten 37 Stunden und deckten damit annähernd vier vollständige Umläufe ab. Ziel war nicht einfach, ein Bild des Planeten aufzunehmen. Vielmehr maßen die Forschenden, wie sich das Licht des Systems verändert, während der Planet verschiedene Positionen gegenüber seinem Stern und der Erde einnimmt.
Solche Messungen helfen dabei, zu erschließen, wie Licht und Wärme über den Planeten verteilt sind. Verändert sich die beobachtete Helligkeit im Laufe eines Umlaufs, können Forschende daraus Unterschiede zwischen den Regionen ableiten, die zu verschiedenen Zeitpunkten sichtbar sind. Wie Lisa Dang, Mitglied des Teams und Forscherin an der University of Waterloo, erklärte, zeigt die Auswertung: Der Planet wirft einen beträchtlichen Teil des Sternenlichts zurück, und die Wärme bleibt nicht ausschließlich auf der Tagseite. Zusammengenommen sprechen beide Hinweise für eine mögliche Atmosphäre.
Dass das Team fast einen vollständigen Umlauf beobachten konnte, war besonders wichtig: So ließ sich im Rahmen dieser Untersuchung erstmals auch die Nachtseite des Planeten erfassen. Die zentrale Frage lautete, ob sie warm genug ist, um die Wärme aufzunehmen, die der Tagseite entweicht. Die Webb-Messungen deuteten jedoch darauf hin, dass die Nachtseite nicht genug Wärme aufnimmt, um allein zu erklären, warum die heiße Seite weniger Energie abstrahlt als erwartet. Der Wärmetransport zur Nachtseite reicht als Erklärung also nicht aus. Damit rückte die Reflexion des Lichts als wichtiger Teil der Lösung in den Fokus.
Eine Oberfläche, die Licht wie die Venus zurückwirft
Den Ergebnissen zufolge reflektiert TOI-561 b etwa drei Viertel des Sternenlichts, das auf ihn trifft – rund 75 Prozent. Das ist ungefähr so viel wie bei der Venus, dem Planeten unseres Sonnensystems, der das meiste Sonnenlicht zurückwirft. Die Erde reflektiert zum Vergleich nur etwa 30 Prozent des einfallenden Sonnenlichts. Der Vergleich bezieht sich jedoch allein auf den Anteil des reflektierten Lichts: Bei Temperatur und Umweltbedingungen unterscheiden sich Venus, Erde und TOI-561 b grundlegend.
Ein hoher Reflexionsanteil mag zunächst wie eine rein optische Besonderheit wirken, ist aber wichtig, um den Wärmehaushalt des Planeten zu verstehen. Zurückgeworfenes Licht heizt die Oberfläche nicht auf. Eine reflektierende Schicht könnte daher die Energiemenge begrenzen, die die dem Stern zugewandte Seite aufnimmt. Das würde erklären, weshalb die Oberfläche weniger heiß erscheint, als man es von einem nackten Felsen erwarten würde, der ständig dem Sternenlicht ausgesetzt ist. Die mögliche Atmosphäre wäre demnach nicht nur eine Schicht, die Wärme verteilt. Sie könnte auch Wolken enthalten, die einen beträchtlichen Teil der Strahlung ins All zurückschicken.
Das Team vermutet, dass Wolken aus Silikatmineralen für die starke Reflexion verantwortlich sein könnten. Als mögliche Bestandteile kommen Siliciumdioxid und Magnesiumsilikat infrage. Diese Verbindungen gehören zu einer Mineralfamilie, zu der auch Stoffe zählen, die von der Erde bekannt sind, etwa Quarz und Sand. Die Wolken sollte man sich unter den extremen Bedingungen des Planeten allerdings nicht wie die wasserhaltigen Wolken der Erde vorstellen: Dabei könnte es sich um mineralische Teilchen handeln, die in der sengenden Hitze verdampfen oder kondensieren.
Solche Schichten könnten einen Teil des Sternenlichts zurückwerfen, bevor es vom Planeten aufgenommen wird. Möglicherweise tragen sie auch dazu bei, dass die Atmosphäre bestehen bleibt. Wie genau diese Zusammenhänge aussehen, lässt sich aus den bisherigen Daten jedoch noch nicht ablesen. Die Beobachtungen stützen die Annahme einer Atmosphäre und weisen auf stark reflektierende Wolken hin. Eine abschließende Analyse der Gase oder der Bewegungen von Material rund um den Planeten liefern sie bislang nicht.
Zwischen zwei extremen Möglichkeiten für die Atmosphäre
Aus welchem Stoff die Atmosphäre von TOI-561 b besteht, wissen die Forschenden noch nicht. Eine Möglichkeit ist eine dichte, kohlendioxidreiche Hülle, die in groben Zügen an die Atmosphäre der Venus erinnert. Eine andere Erklärung wäre eine Atmosphäre mit viel Schwefeldioxid. Sie könnte eher zu einer sehr vulkanisch aktiven Umgebung passen, wie sie auf dem Jupitermond Io zu finden ist – dem vulkanisch aktivsten Himmelskörper unseres Sonnensystems.
Der Vergleich bedeutet nicht, dass der Planet eine Kopie der Venus oder von Io wäre. Er beschreibt zwei mögliche Wege, um zu verstehen, wie seine Atmosphäre entstanden sein und fortbestehen könnte. Wenn vulkanische Aktivität Gase in die Atmosphäre freisetzt, könnte sie Verluste im Lauf der Zeit ausgleichen – wie es für Io angenommen wird. Bei einer anderen Zusammensetzung könnten andere Vorgänge für den Erhalt der Gashülle verantwortlich sein. In beiden Fällen müssen zunächst die tatsächlichen Bestandteile bekannt sein, bevor sich genauer bestimmen lässt, was auf dieser Welt geschieht.
Besonders wichtig ist die Frage nach dem Fortbestand der Atmosphäre, weil TOI-561 b von seinem Stern enorme Energiemengen erhält und die Oberflächentemperatur mehr als 1800 Grad Celsius beträgt. Bislang galt es als unwahrscheinlich, dass eine derart heiße Welt überhaupt eine Atmosphäre behalten kann. Die neuen Hinweise eröffnen nun die Möglichkeit, dass eine Gashülle trotz der extremen Bedingungen über Milliarden Jahre hinweg bestehen geblieben ist. Beweisen können die Beobachtungen weder das Alter der Atmosphäre noch die Einzelheiten ihrer Entwicklung. Sie werfen vielmehr die neue Frage auf, welche Prozesse sie schützen oder immer wieder erneuern könnten.
Was können künftige Beobachtungen zeigen?
Nach Ansicht des Teams könnten weitere Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop bei längeren Wellenlängen helfen, zwischen den verschiedenen Erklärungen zu unterscheiden. Unterschiedliche Stoffe hinterlassen unterschiedliche Spuren im Licht. Ihre Analyse könnte zeigen, ob die Atmosphäre eher einem kohlendioxidreichen Dunst ähnelt, deutliche Hinweise auf Schwefeldioxid trägt oder eine bislang nicht erkannte Zusammensetzung hat. Zusätzliche Messungen könnten außerdem mehr über die mineralischen Wolken verraten, die den hohen Reflexionsanteil erklären könnten.
Die Kenntnis der Zusammensetzung könnte drei miteinander verknüpfte Rätsel lösen: Warum wird so viel Sternenlicht zurückgeworfen? Wie verteilt sich die Wärme zwischen den beiden Planetenseiten? Und wie kann eine Atmosphäre unter derart unwirtlichen Bedingungen bestehen bleiben? Jede Antwort würde helfen, unterschiedliche Vorstellungen von diesem Planeten zu prüfen. Dominieren reflektierende Wolken? Erneuern Vulkane die gasförmigen Bestandteile? Oder wirken mehrere Prozesse zusammen?
An der Studie waren unter anderem Lisa Dang von der University of Waterloo und weitere Forschende beteiligt. Die Ergebnisse des Teams erschienen in der Fachzeitschrift The Astronomical Journal. Sie zeigen, dass sich Eigenschaften ferner Planeten nicht immer nur durch direkte Bilder ihrer Oberfläche erschließen lassen. Veränderungen von Licht und Wärme im Verlauf eines Umlaufs können Merkmale sichtbar machen, die auf einer einzelnen Aufnahme verborgen blieben – etwa eine mögliche Atmosphäre oder das unterschiedliche Verhalten der beleuchteten und der dunklen Hälfte.
Fazit
TOI-561 b ist eine felsige Welt der Extreme: Der Planet ist rund 280 Lichtjahre entfernt, wurde 2020 entdeckt, umrundet seinen Stern in 11 Stunden und hat eine Oberflächentemperatur von mehr als 1800 Grad Celsius. Während 37 Stunden Beobachtungszeit, die annähernd vier Umläufe abdeckten, fand das James-Webb-Teleskop Hinweise darauf, dass der Planet rund 75 Prozent des Sternenlichts zurückwirft. Möglicherweise ist er zudem von einer Atmosphäre und Wolken aus Silikatmineralen umgeben.
Woraus diese Atmosphäre besteht, ist weiterhin offen. Einige Bestandteile könnten an die Atmosphäre der Venus erinnern; ebenso könnte Schwefeldioxid eine Rolle spielen und mit einer vulkanischen Aktivität vergleichbar mit der auf Io zusammenhängen. Beobachtungen des Webb-Teleskops bei längeren Wellenlängen sollen helfen, diese Möglichkeiten zu prüfen. Schon jetzt ist der Befund bemerkenswert: Selbst ein extrem heißer Planet könnte auf unerwartete Weise Licht zurückwerfen, Wärme verteilen und womöglich über lange Zeit eine Atmosphäre bewahren.