Ungewöhnliches in Atmosphäre von Tau Bootis b beobachtet

30. Juni 2012, 21:36
  • Tau Bootis b umkreist seinen Mutterstern in nur 0,046 Astronomischen Einheiten, ein Jahr dauert auf dem Exoplaneten nur 3,31 Tage.
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    foto: eso/l. calçada

    Tau Bootis b umkreist seinen Mutterstern in nur 0,046 Astronomischen Einheiten, ein Jahr dauert auf dem Exoplaneten nur 3,31 Tage.

Neue Technik löst 15 Jahre altes Masse-Rätsel bei erdnahem Exoplaneten Tau Bootis b und wirft neue Fragen auf

Um etwas über die Struktur der Atmosphären von Exoplaneten zu erfahren, mussten die Planeten bisher von der Erde aus gesehen direkt vor ihren Muttersternen vorbeilaufen. Nun hat ein internationales Astronomenteam eine neue Methode entwickelt, mit der sich auch andere Konstellationen analysieren lassen. Mit ihr wird es in Zukunft möglich sein, wesentlich mehr Informationen über die Atmosphären fremder Planeten zu sammeln. Erstmals erfolgreich getestet wurde die Technik bei dem Exoplaneten Tau Bootis b - mit überraschenden Ergebnissen.

Die Wissenschafter fingen mit Hilfe des Very Large Telescope der ESO das schwache Leuchten des Planeten selbst auf und konnten so erstmals die Masse von Tau Bootis b präzise bestimmen, seine Umlaufbahn vermessen und seine Atmosphäre analysieren. Dabei kamen sie der Lösung eines 15 Jahre alten Rätsels auf die Spur. Sie stellten außerdem fest, dass die Atmosphäre des Planeten unerwarteterweise in großer Höhe kühler ist als weiter innen - obwohl der Planet seinem Stern sehr nahe ist.

"Heißer Jupiter" in Erdnähe

Der Planet Tau Bootis b wurde bereits im Jahre 1996 entdeckt und ist damit einer der ersten bekannten Exoplaneten überhaupt. Nach wie vor ist er mit rund 51 Lichtjahren einer der erdnächsten Exoplaneten, den die Astronomen kennen. Sein Mutterstern ist daher leicht mit bloßem Auge zu sehen. Für den Planeten gilt das allerdings nicht: Bislang hatte sich Tau Bootis b ausschließlich durch seine Schwerkraftwirkung auf seinen Stern bemerkbar gemacht. Der Planet ist ein sogenannter "heißer Jupiter": ein großer Gasplanet, dessen Umlaufbahn sehr nah am Stern liegt.

Wie bei den meisten Exoplaneten führt seine Umlaufbahn Tau Bootis b von der Erde aus gesehen nicht direkt vor seinem Mutterstern vorbei - es gibt keinen sogenannten Transit (so wie ihn irdische Beobachter kürzlich beim Venustransit in unserem eigenen Sonnensystem erleben konnten). Bis vor kurzem waren solche Transite allerdings die einzige Möglichkeit, die Atmosphäre solcher "heißer Jupiter" zu untersuchen: Wenn der Planet vor dem Stern vorbeiläuft, durchläuft ein winziger Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten. Dabei wird ein Teil des Lichtes herausgefiltert - und die Art und Weise, wie dies geschieht, ist für die Atmosphäre ähnlich charakteristisch wie ein Fingerabdruck für einen Menschen. Da bei Tau Bootis b kein Transit stattfindet, konnte man seine Atmosphäre bislang nicht auf diese Art und Weise untersuchen.

Masse und Atmosphärenstruktur entschlüsselt

Nach 15 Jahren erfolgloser Versuche, das schwache Leuchten zu untersuchen, das heiße Jupiter aussenden, ist es den Astronomen nun endlich gelungen, die Atmosphärenstruktur von Tau Bootis b zu entschlüsseln und außerdem noch die Masse des Planeten präzise zu bestimmen. Dazu nutzte das Team den CRIRES-Spektrografen am Very Large Telescope (VLT), das sich am Paranal-Observatorium der ESO in Chile befindet. Die Astronomen kombinierten hochpräzise Infrarotbeobachtungen bei einer Wellenlänge von ungefähr 2,3 Mikrometern mit einem innovativen Verfahren, das es ermöglicht, das schwache Leuchten des Planeten aus dem ungleich stärkeren Leuchten des Zentralgestirns herauszulösen.

"Dank der herausragenden Qualität der VLT/CRIRES-Beobachtungen konnten wir das Spektrum des Systems viel genauer untersuchen als jemals zuvor. Nur etwa 0,01% des Lichts, das wir sehen, gehört dabei zu dem Planeten. Der gesamte Rest stammt vom Stern. Es war also keine leichte Aufgabe, das eine vom anderen zu trennen!" erklärt Matteo Brogi von der Sterrewacht Leiden (Niederlande), der Erstautor der Studie, die im Fachjournal "Nature" erschienen ist.

Tau Bootis b sechs Mal so massiv wie der Jupiter

Die Mehrzahl der bekannten Exoplaneten wurde durch die Wirkung ihrer Schwerkraft auf ihr Zentralgestirn entdeckt. Mit dieser Methode kann jedoch nur eine Untergrenze für die Planetenmasse bestimmt werden, nicht die tatsächliche Masse. Die bei der hier vorgestellten Studie erstmals angewandte neue Methode ist weit leistungsfähiger: Indem sie das Licht des Planeten direkt untersuchten, konnten die Astronomen den Winkel zwischen seiner Bahnebene und der Sichtlinie zur Erde messen. Daraus lässt sich wiederum die Masse des Planeten sehr genau bestimmen. Über die Veränderungen in der Bewegung des Planeten um seinen Stern konnte das Astronomenteam den Winkel zu 44° und die Masse des Planeten zu sechs Jupitermassen bestimmen.

"Die neuen VLT-Beobachtungen lösen das 15 Jahre alte Rätsel der tatsächlichen Masse von Tau Bootis b. Die neue Technik erlaubt es uns, nun auch die Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen, die von uns aus gesehen nicht vor ihrem Stern vorbeiziehen, und gleichzeitig ihre Masse exakt zu bestimmen. Das war vorher nicht möglich und ist daher ein bedeutender Fortschritt," erläutert Ignas Snellen, ebenfalls von der Sterrewacht Leiden und Koautor der Studie.

Überraschende Temperaturverteilung

Neben dem direkten Nachweis der Atmosphäre und der Bestimmung der Masse von Tau Bootis b gelang es den Astronomen, die Menge an Kohlendioxid und die Temperatur in verschiedenen Schichten der Planetenatmosphäre zu messen. Dazu verglichen sie ihre Beobachtungen mit theoretischen Modellen. Ein überraschendes Ergebnis dieser Studie ist, dass die Temperatur der Atmosphäre in großen Höhen mit zunehmender Höhe geringer wird. Dies ist das genaue Gegenteil der Temperaturinversion - also des Ansteigens der Temperatur mit der Höhe - die man bei anderen Exoplaneten aus der Klasse der „heißen Jupiter" gefunden hat.

Die VLT-Beobachtungen zeigen, wie wichtig hochaufgelöste Spektroskopie mit bodengebundenen Teleskopen ist, wenn man präzise Analysen der Atmosphären derjenigen Exoplaneten vornehmen will, die nicht vor ihren Zentralgestirnen vorüberziehen. In Zukunft sollte der Nachweis von unterschiedlichen Molekülsorten die Astronomen in die Lage versetzen, die Atmosphären dieser Planeten noch besser zu verstehen. Führt man diese Art von Beobachtung mehrmals durch und erfasst dabei unterschiedliche Positionen des Planeten auf seiner Umlaufbahn, dann könnten sich sogar Unterschiede des Atmosphärenzustands am Morgen und am Abend herausarbeiten lassen.

"Unsere Studie zeigt das große Potenzial heutiger bodengebundener Teleskope und ihrer Nachfolger wie des E-ELT. Möglicherweise werden wir mit dieser Methode eines Tages sogar Anzeichen für biologische Aktivität auf erdähnlichen Exoplaneten finden können ", schließt Ignas Snellen. (red, derstandard.at, 27.6.2012)

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14 Postings
6x größer als Jupiter, knapp 51 Lichtjahre entfernt und von heiß bis kühl abnehmende Atmosphärentemperatur. Eigentlich Ideal.

Da die hohe Zentripetalkraft der geringen Umlaufszeit der radial sinkenden Gravitation des Planeten entgegensteht, sind ideale Isothermen orbital im G-Bereich ansteuer- und besiedelbar.

Die Ausgangsatmosphäre ist da nicht so wesentlich, da Nahrungsketten anaerobe aufbaubar sind, bis Pflanzen einen breiteren aeroben Einsatz ermöglichen.

Selbst wenn die ideale Isotherme nur wenige 100 km dick ist, kann sie eine mehrfache Weltbevölkerung aufnehmen und alle unsere Überbevölkerungsprobleme lösen.

Auch ist ein so großer Planet viel resistenter gegen Asteroiden als unsere Erde und auch sein Stern ist mit einer Restzeit von 6 Mrd. Jahren nur halb so alt wie unsere Sonne. Auch steht da noch ein Roter Zwerg in Reserve.

Das Ziel ist gefunden :-)

6x massereicher ist nicht gleichbedeutend mit 6x größer.

Hängt davon ab, was man unter größer versteht,

Durchmesser, Volumen oder eben Masse.

Aber bezogen auf Durchmesser oder Volumen haben Sie natürlich recht :-)

Temperatur der Atmosphäre

Irgendwie überrascht es mich aber nicht, dass die oberen Atmosphärenschichten kühler sind. Das ist doch auch bei allen Planeten und Monden unseres Sonnensystems mit Gashülle der Fall, sogar bei der heißen Venus. Das müsste doch theoretisch aufgrund der Schwerkraftbedingten höheren Moleküldichte- und Kollisionshäufigkeit und der damit einhergehenden höheren Wärmespeicherfähihkeit der unteren Schichten und evtl. vorhandenem Treibhauseffekt überall so sein, oder? (von atomarem Winter und staubschichtbedingter Wärmereflexion einmal abgesehen)

Die Moleküle in der oberen Atmosphäre haben wesentlich mehr Freiraum, was eine höhere Geschwindigkeit erlaubt, ebenso werden sie durch die Strahlung stark angeregt => ergo höhere Temperatur als am Boden.

Stern und Planet sind doppelgebunden, d.h. sowohl der Stern als auch der Planet wenden sich stets dieselbe Seite zu. Das hat eine konstante Tagseite mit weit über 1.000° C und eine konstante Nachtseite bis weit unter -100° C zur Folge.

Durch den Strahlungsdruck des Zentralgestirns reicht die Atmosphäre nachtseitig erheblich weiter ins All als tagseitig und kühlt dort - siehe Artikel – mit zunehmender Höhe aus,

da die obere Atmosphäre der Nachtseite weder von der tagseitig kommenden Konvergenzströmung, noch von der energiereichen Strahlung des Zentralgestirns erreicht wird.

Dennoch ist auf der Nachtseite mit vertikaler Strömung zu rechnen, die bei hohem v der einfallenden Konvergenzströmung hemisphärisch zentral aufsteigt und peripher fällt

und bei niedrig einfallendem v peripher aufsteigt und zentral fällt, das erst ein Rückfließen zur Tagseite ermöglicht,

und ideale Isotherme in auch strömungsbedingten G-Bereichen peripher nachtseitig zur Besiedelung anbietet.

'Ein Jahr dauert auf dem Exoplaneten nur 3,x Tage'

Erdentage, nh?

nicht zwingend...

Er könnte sich auch so langsam um seine eigene Achse drehen, dass er er es in einem Jahr nur 3.x mal schafft.
Bei seiner Masse erscheint mir das schlüssiger...

die Masse hat nichts mit Rotationsgeschwindigkeit zu tun

zB das Supermassive Schwarze Loch unserer Milchstraße dreht sich einmal alle 11 min und das ist ja auch nicht gerade ein Leichtgewicht ;)

jetzt habe ich nochmal nachgelesen

die 11min stammen aus einer Dokumentation über das SMBH unserer Galaxie - in diesem Artikel ist jedoch von 17min die Rede... wie auch immer - die Größenordnung stimmt so oder so...

http://www.wissenschaft.de/wissensch... ews/231492

Ich denke schon,

daß das Erdentage sind, der Planet ist ja wesentlich näher zu seiner Sonne als wir (~5% vom Abstand Sonne-Erde).

Der Planet ist ein sogenannter "heißer Jupiter": das ist ein großer Gasplanet, dessen Umlaufbahn sehr nah am Stern liegt. Je näher ein Planet seine Umlaufbahn am Zentralgestirn hat, um so schneller muß er ihn umkreisen. Bei solchen Planeten ist es normal, dass sie so kurze Umlaufzeiten aufweisen. Erstaunlich ist, dass die höllische Temperatur von innen nach aussen abnimmt, da aufgrund der Nähe zum Stern die Energie dafür von diesem, also von aussen kommt.

Leuchtkraft 1:10.000 herauszufiltern ist eine Leistung.

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