Exoplanets

An den Extremen: Ein heißer Jupiter enthüllt extreme Chemie auf einer brutzelnden Welt, und ein kalter Jupiter wirft Licht auf die Entstehung von Riesenplaneten.

Zwei jupitergroße Planeten haben diese Woche Schlagzeilen gemacht, aber trotz ihrer ähnlichen Größe könnten sie unterschiedlicher nicht sein. Einer davon ist WASP-178b, ein heißer Jupiter, der alle drei Tage um seinen Stern saust. Es ist nicht nur die Nähe, die diese Welt zum Kochen bringt; Der Stern, den er umkreist, ist auch einer der heißesten bekannten Exoplanetenwirte.

Die andere Jupiterwelt ist AB Aurigae b, ein gerade entdeckter zukünftiger Planet mit etwa der zehnfachen Masse des Jupiters, der in einer langsamen, kühlen Schleife etwa 100 astronomische Einheiten entfernt um seinen Stern schwingt, mehr als doppelt so breit wie Plutos Umlaufbahn.

Diese Giganten liefern neue Einblicke in die Entstehung und Chemie extremer Welten.

AB Aurigae b: Riese im Entstehen

Eine künstlerische Illustration eines massiven, neu entstehenden Exoplaneten namens AB Aurigae b. NASA / ESA / Joseph Olmsted (STScI)

Beginnen wir am Anfang mit AB Aurigae b, einer Welt, die gerade beginnt, sich in den Außenbezirken einer planetenbildenden Scheibe um einen jungen Stern, der nur 2 Millionen Jahre alt ist, zusammenzufinden.

Thayne Currie (National Astronomical Observatory of Japan) und Kollegen entdeckten AB Aur b in Bildern, die zwischen 2016 und 2020 mit dem System Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCEX-AO) am Subaru-Teleskop aufgenommen wurden. Das Team erhielt 2021 zusätzliche Bilder mit dem Hubble-Weltraumteleskop und grub auch Hubble-Bilder von 1999 und 2007 aus. Alles in allem umfassen die Bilder fast 22 Jahre und zeichnen die Bewegung eines riesigen Klumpens um den jungen Stern nach.

weiße Sterne auf schwarzen Rechtecken über einem feurigen HintergrundDie Forscher bildeten den neu entstehenden Exoplaneten AB Aurigae b über einen Zeitraum von 13 Jahren direkt ab, indem sie Hubbles Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) und seine Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph (NICMOS) verwendeten. Oben rechts zeigt Hubbles NICMOS-Bild, das 2007 aufgenommen wurde, AB Aurigae b in genau südlicher Position im Vergleich zu seinem Wirtsstern, der vom Koronographen des Instruments verdeckt wird. Das 2021 von STIS aufgenommene Bild zeigt, dass sich der Protoplanet im Laufe der Zeit gegen den Uhrzeigersinn bewegt hat.NASA/ESA/Thayne Currie (Subaru Telescope, Eureka Scientific Inc.)

Im Gegensatz zu den meisten entfernten Welten, die für direkte Aufnahmen zugänglich sind, befindet sich dieser Planet noch in den frühen Geburtswehen, und die Bilder fangen kein Licht vom Planeten selbst ein. Der Klumpen in der protoplanetaren Scheibe ist sieben AE breit und brutzelt bei 2200K (3500ºF). Was das Bild einfängt, ist stattdessen das heiße Gas, das hereinströmt, um einen Gasriesen zu erschaffen.

Astronomen glauben, dass die meisten Gasriesen, insbesondere diejenigen, die sich näher an ihrem Mutterstern bilden, durch Kernakkretion zusammenkommen. Zuerst fallen Planetesimale aufeinander, um einen terrestrischen Klumpen zu bilden, dann sammelt dieser Kern Gas in einer dicken Hülle um sich herum. Aber in den Außenbezirken einer protoplanetaren Scheibe gibt es nicht genug Gas, damit die Kernakkretion funktioniert.

Basierend auf der Position des Klumpens in der Nähe von Spiralarmen innerhalb der Scheibe argumentiert Curries Team in Nature Astronomy, dass diese Welt durch Scheibeninstabilität entsteht, bei der ein Teil der protoplanetaren Scheibe auf heftige Weise zusammenbricht.

„Diese neue Entdeckung ist ein starker Beweis dafür, dass sich einige Gasriesenplaneten durch den Mechanismus der Scheibeninstabilität bilden können“, stimmt Alan Boss (Carnegie Institution of Science) zu, der nicht an der Studie beteiligt war.

WASP-178b: Heißer Jupiter mit felsigen Dämpfen

eine große weiße Kugel neben einer kleinen orangefarbenen Kugel, die teilweise vom Licht auf einem dunkelblauen Hintergrund beleuchtet wirdKünstlerische Darstellung eines ultraheißen JupiterNASA / ESA / Leah Hustak (STScI)

WASP-178b ist nur wenig massereicher als Jupiter, aber mit einer engen Umlaufbahn um einen heißen Stern ist seine Atmosphäre völlig fremdartig.

In heißen Jupitern können Metalle verdampfen und sogar herausregnen. In den obersten Schichten können Regentropfen aus Wasser oder Ammoniak bestehen, aber tiefer in der Atmosphäre des Planeten können Tropfen anstelle von Salzen, Eisen, Silikaten (dh Gesteinen) oder sogar feuerfester Keramik bestehen. Auf noch heißeren Jupitern gehen diese „normaleren“ oberen Schichten verloren, und die exotischeren Regenfälle fallen höher in die Atmosphäre.

WASP-178b ist einer der heißesten Jupiter, die es gibt, und in Nature vom 7. April berichten Joshua Lothringer (Utah Valley University) und David Sing (Johns Hopkins University) über den Nachweis von Siliziummonoxidgas in seiner Atmosphäre. Dieses Gas, falls vorhanden, stellt den gasförmigen Vorläufer von Gesteinsregen dar.

Die Analyse der Hubble-Beobachtungen legt nahe, dass alle Gesteine, die es gibt, auf der Tagesseite in Gasform verbleiben. Selbst an den Rändern des Planeten, wo der Tag in die Nacht übergeht und umgekehrt, ist es für Silikate zu heiß, um herauszuregnen. Es ist möglich, dass die Nachtseite kühl genug für Silikatregen wird. (Stellen Sie sich vor, Olivintröpfchen!) Aber das hängt davon ab, wie gut die Winde auf Hurrikanniveau Wärme von der beleuchteten Seite des Planeten zu seiner dunklen Seite transportieren.

Katharina Lodders (Washington University in St. Louis), die nicht an der Studie beteiligt war, sagt jedoch, dass der Nachweis von Siliziummonoxid keine sichere Sache sei, obwohl es „eine plausible beste Vermutung“ sei. Das liegt daran, dass es auf der Anpassung von Modellen an die Gesamthelligkeit des Planeten über verschiedene Wellenlängen hinweg basiert. Das Spektrum enthält keine scharfen Merkmale, die die Detektion bestätigen würden.

Wenn das Gas wirklich vorhanden ist, sagt Lodders, würde es bestätigen, dass unser Verständnis dieses Aspekts der Chemie des heißen Jupiters richtig ist. „Einfach gesagt, wenn es zu heiß ist, ist Siliziummonoxidgas nicht stabil und stattdessen sind Siliziumatome vorhanden“, erklärt sie. „Wenn es zu kalt ist, gelangt schließlich Siliziummonoxidgas in Kondensate.“

Wir müssen noch viel über die Bildung von Gasriesen und das Wetter lernen, aber zukünftige Beobachtungen, einschließlich derjenigen des James-Webb-Weltraumteleskops, werden dazu beitragen, den Weg zu ebnen.


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