Zum ersten Mal haben Wissenschaftler, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA / ESA forschen, Hinweise auf vulkanische Aktivitäten gefunden, die die Atmosphäre auf einem felsigen Planeten um einen entfernten Stern verändern. Der Planet GJ 1132 b hat eine ähnliche Dichte, Größe und ein ähnliches Alter wie die Erde.

Der Planet GJ 1132 b scheint sein Leben als gasförmige Welt mit einer dicken Atmosphäre begonnen zu haben. Ausgehend vom mehrfachen Radius der Erde verlor dieser sogenannte „ Sub-Neptun “ schnell seine ursprüngliche Wasserstoff- und Heliumatmosphäre, die durch die intensive Strahlung seines heißen, jungen Sterns entfernt wurde. In kurzer Zeit wurde es auf einen bloßen Kern von der Größe der Erde reduziert. 

Zur Überraschung der Astronomen haben neue Beobachtungen von Hubble [1] eine sekundäre Atmosphäre entdeckt, die die erste Atmosphäre des Planeten ersetzt hat. Es ist reich an Wasserstoff, Cyanwasserstoff, Methan und Ammoniak und hat auch eine Kohlenwasserstofftrübung. Astronomen theoretisieren, dass Wasserstoff aus der ursprünglichen Atmosphäre vom geschmolzenen Magma-Mantel des Planeten absorbiert wurde und nun langsam vom Vulkanismus freigesetzt wird, um eine neue Atmosphäre zu bilden. Diese zweite Atmosphäre, die weiterhin in den Weltraum entweicht, wird kontinuierlich aus dem Wasserstoffreservoir im Magma des Mantels nachgefüllt.

” Diese zweite Atmosphäre kommt von der Oberfläche und dem Inneren des Planeten und ist somit ein Fenster in die Geologie einer anderen Welt “, erklärte Teammitglied Paul Rimmer von der University of Cambridge, UK. „ Es muss noch viel Arbeit geleistet werden, um es richtig durchzusehen, aber die Entdeckung dieses Fensters ist von großer Bedeutung. 

” Wir dachten zuerst, dass diese hoch strahlenden Planeten ziemlich langweilig sein würden, weil wir glaubten, dass sie ihre Atmosphäre verloren haben “, sagte Teammitglied Raissa Estrela vom Jet Propulsion Laboratory am California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien, USA. Aber wir haben uns mit Hubble die bestehenden Beobachtungen dieses Planeten angesehen und festgestellt, dass dort eine Atmosphäre herrscht. “

„ Wie viele terrestrische Planeten beginnen nicht als terrestrische? Einige können als Sub-Neptune beginnen und werden durch einen Mechanismus, durch den Licht die Uratmosphäre verdampft, zu Erdbewohnern. Dieser Prozess funktioniert früh im Leben eines Planeten, wenn der Stern heißer ist “, sagte Teamleiter Mark Swain vom Jet Propulsion Laboratory. „ Dann kühlt sich der Stern ab und der Planet sitzt einfach da. Sie haben also diesen Mechanismus, der in den ersten 100 Millionen Jahren die Atmosphäre auskochen kann, und dann beruhigen sich die Dinge. Und wenn Sie die Atmosphäre regenerieren können, können Sie sie vielleicht behalten. 

In mancher Hinsicht weist GJ 1132 b verschiedene Parallelen zur Erde auf, in mancher Hinsicht ist es jedoch auch sehr unterschiedlich. Beide haben ähnliche Dichten, ähnliche Größen und ein ähnliches Alter und sind etwa 4,5 Milliarden Jahre alt. Beide begannen mit einer von Wasserstoff dominierten Atmosphäre und beide waren heiß, bevor sie abkühlten. Die Arbeit des Teams legt sogar nahe, dass GJ 1132 b und die Erde an der Oberfläche einen ähnlichen atmosphärischen Druck haben.

Die Entstehungsgeschichten der Planeten sind jedoch sehr unterschiedlich. Es wird nicht angenommen, dass die Erde der überlebende Kern eines Sub-Neptun ist. Und die Erde umkreist in bequemer Entfernung von unserer gelben Zwergsonne. GJ 1132 b befindet sich so nahe an seinem roten Zwergstern, dass er den Stern einmal alle anderthalb Tage umkreist. Diese extrem enge Nähe hält GJ 1132 b gezeitengesperrt und zeigt seinem Stern immer das gleiche Gesicht – so wie unser Mond eine Halbkugel permanent der Erde zugewandt hält.

” Die Frage ist, was hält den Mantel heiß genug, um flüssig zu bleiben und Vulkanismus anzutreiben?” fragte Swain. „Dieses System ist etwas Besonderes, da es die Möglichkeit bietet, viel Gezeiten zu erhitzen. 

Das Phänomen der Gezeitenerwärmung tritt durch Reibung auf, wenn Energie aus der Umlaufbahn und Rotation eines Planeten als Wärme innerhalb des Planeten verteilt wird. GJ 1132 b befindet sich in einer elliptischen Umlaufbahn, und die auf ihn einwirkenden Gezeitenkräfte sind am stärksten, wenn es seinem Wirtsstern am nächsten oder am weitesten entfernt ist. Mindestens ein anderer Planet im System des Wirtssterns übt ebenfalls eine Anziehungskraft auf den Planeten aus. Die Konsequenzen sind, dass der Planet durch dieses Gravitationspumpen zusammengedrückt oder gedehnt wird. Diese Gezeitenerwärmung hält den Mantel lange flüssig. Ein nahe gelegenes Beispiel in unserem eigenen Sonnensystem ist der Jupiter-Mond Io, der infolge eines Tauziehens zwischen Jupiter und den benachbarten Jupiter-Monden einen kontinuierlichen Vulkanismus aufweist.

Das Team glaubt, dass die Kruste von GJ 1132 b extrem dünn ist, vielleicht nur mehrere hundert Meter dick. Das ist viel zu schwach, um etwas zu unterstützen, das Vulkanbergen ähnelt. Sein flaches Gelände kann auch durch Gezeitenbiegung wie eine Eierschale geknackt werden. Durch solche Risse könnten Wasserstoff und andere Gase freigesetzt werden.

„ Wenn diese Atmosphäre dünn ist – was bedeutet, dass sie einen erdähnlichen Oberflächendruck hat – bedeutet dies wahrscheinlich, dass Sie bei infraroten Wellenlängen bis auf den Boden sehen können. Das heißt, wenn Astronomen das James Webb-Weltraumteleskop verwenden, um diesen Planeten zu beobachten, besteht die Möglichkeit, dass sie nicht das Spektrum der Atmosphäre, sondern das Spektrum der Oberfläche sehen “, erklärte Swain. „ Und wenn es Magma-Pools oder Vulkanismus gibt, werden diese Gebiete heißer. Das wird mehr Emissionen erzeugen und sie werden möglicherweise die tatsächliche geologische Aktivität betrachten – was aufregend ist! 

Dieses Ergebnis ist insofern von Bedeutung, als es Exoplaneten-Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, anhand der Atmosphäre etwas über die Geologie eines Planeten herauszufinden “, fügte Rimmer hinzu. „ Es ist auch wichtig zu verstehen, wo die felsigen Planeten in unserem eigenen Sonnensystem – Merkur, Venus, Erde und Mars – hinsichtlich der Verfügbarkeit von Wasserstoff gegenüber Sauerstoff in der Atmosphäre in das Gesamtbild der vergleichenden Planetologie passen. 

Anmerkungen

[1] Die Beobachtungen wurden im Rahmen des Hubble-Beobachtungsprogramms Nr. 14758 (PI: Zach Berta-Thomson) durchgeführt.

Mehr Informationen

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der ESA und der NASA.

Die Ergebnisse des Teams werden in einer kommenden Ausgabe des Astronomical Journal veröffentlicht.

Das internationale Team von Astronomen in dieser Studie besteht aus MR Swain, R. Estrela, GM Roudier, C. Sotin, P. Rimmer, A. Valio, R. West, K. Pearson, N. Huber-Feely und RT Zellem.

Bildnachweis: NASA, ESA und R. Hurt (IPAC / Caltech)

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