Staubregen auf Exoplaneten: JWST entdeckt Silikatwolken und zirkumplanetare Scheiben

Eine neue Studie, die auf Beobachtungen zweier Exoplaneten basiert und mit dem James Webb Space Telescope (JWST) durchgeführt wurde, hat bedeutende Ergebnisse hervorgebracht, die in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden.

Die betreffenden Planeten umkreisen den Stern YSES-1, eine junge Sonne mit einem Alter von nur 16,7 Millionen Jahren, die etwa 300 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt ist. Durch die direkte Beobachtung des Lichts dieser Exoplaneten hat ein internationales Forscherteam unter Leitung des Astrophysikers Kielan Hoch vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (USA) außergewöhnliche Entdeckungen gemacht . So wurden in der Atmosphäre eines der beiden Planeten, YSES-1 c, Silikatwolken beobachtet, die aus Mineralien bestehen, die ihr eine rötliche Farbe verleihen. Der andere Planet im System, YSES-1 b, scheint hingegen von einer zirkumplanetaren Scheibe umgeben zu sein, die ebenfalls aus Silikaten besteht und aus der sich in Zukunft kleinere Körper wie beispielsweise Monde bilden könnten . An der Entdeckung war auch Valentina D'Orazi beteiligt, Forscherin am Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) und der Universität Tor Vergata in Rom.

Die Entdeckung, die auf der 246. Tagung der American Astronomical Society in Anchorage (Alaska) vorgestellt wurde, bietet neue Einblicke in die frühen Stadien der Entstehung von Planetensystemen, die unserem ähnlich sind , und gibt Forschern die Möglichkeit, nahezu in Echtzeit zu untersuchen, wie ein jupiterähnlicher Planet entsteht und sich entwickelt.

„ Die Beobachtung von Silikatwolken, im Wesentlichen Sandwolken, in den Atmosphären extrasolarer Planeten ist wichtig, weil sie uns hilft, die Funktionsweise atmosphärischer Prozesse und die Entstehung von Planeten besser zu verstehen. Dieses Thema wird noch immer diskutiert, da man sich über die verschiedenen Modelle nicht einig ist “, erklärt Co-Autorin Valentina D'Orazi, Forscherin am Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) und der Universität Tor Vergata in Rom, derzeit im Rahmen des Fulbright-Programms Gastwissenschaftlerin an der University of Texas in Austin . „ Die Entdeckung dieser Sandwolken, die dank eines Zyklus aus Sublimation und Kondensation, ähnlich dem des Wassers auf der Erde, in der Luft bleiben, enthüllt komplexe Transport- und Entstehungsmechanismen in der Atmosphäre. Dies ermöglicht es uns, unsere Modelle des Klimas und der chemischen Prozesse in Umgebungen zu verbessern, die sich stark von denen unseres Sonnensystems unterscheiden, und so unser Wissen über diese Systeme zu erweitern .“

Bei den beiden betroffenen Planeten handelt es sich um Gasriesen: YSES-1 c hat eine 14-fache Jupitermasse, YSES-1 b hingegen 6-fache. Beide befinden sich in beträchtlicher Entfernung von ihrem Stern, etwa 5- bzw. 10-mal größer als die Entfernung zwischen Sonne und Neptun. Genau diese sehr ausgedehnte Umlaufbahn ermöglichte es dem Team, die beiden Planeten mit dem JWST mittels der Technik der direkten Abbildung zu beobachten, deren Anwendung bisher auf eine kleine Anzahl von Planeten mit sehr speziellen Eigenschaften beschränkt ist. Die Studie zeigt, dass das leistungsstarke Weltraumteleskop hochwertige Spektraldaten der mit dieser Technik beobachteten Exoplaneten liefern kann und so neue Wege für die Erforschung von Atmosphären und zirkumstellaren Umgebungen eröffnet.

Das Vorhandensein von Silikatwolken in der Atmosphäre von Exoplaneten wurde bereits theoretisch vorhergesagt und indirekt aus früheren Beobachtungen abgeleitet. Diese Forschung liefert nun die erste direkte und spektroskopische Beobachtung von Silikatwolken auf einem spezifischen Exoplaneten, YSES-1 c . Dies ermöglicht Einblicke in die atmosphärische Zusammensetzung eines jungen Gasriesen und bestätigt das Vorhandensein von hochgelegenen Silikatwolken, die entweder eisenreiches Pyroxen oder eine Kombination aus Bridgmanit (MgSiO3) und Forsterit (Mg2SiO4) enthalten.

Für den Zwillingsplaneten YSES-1 b präsentiert diese Arbeit den ersten Nachweis von Silikatemissionen aus einer zirkumplanetaren Scheibe, einer Art „Mini-Sonnensystem“ in der Entstehung . Zuvor waren nur zwei ähnliche zirkumplanetare Scheiben beobachtet worden, und die neue Forschung liefert direkte Informationen über die Zusammensetzung und die physikalischen Prozesse in diesen Umgebungen: Das Vorhandensein von Olivinkörnern im Submikrometerbereich deutet auf einen Entstehungsmechanismus durch Kollisionen kleiner Körper, sogenannter Planetesimale, innerhalb der Scheibe hin.

„ Durch die Untersuchung dieser Planeten können wir die Entstehung von Planeten im Allgemeinen besser verstehen – ein bisschen so, als würden wir einen Blick in die Vergangenheit unseres Sonnensystems werfen “, so D'Orazi . „ Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Zusammensetzung der Wolken in jungen Exoplaneten und zirkumplanetaren Scheiben eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre spielt. Darüber hinaus unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit detaillierter Atmosphärenmodelle zur Interpretation der hochwertigen Beobachtungsdaten von Teleskopen wie dem JWST .“