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Kühlste Lavawelt könnte Atmosphäre besitzen und Einblick in frühe Erde geben
Ein extrem heißer Gesteinsplanet zeigt trotz seiner Nähe zum Stern deutliche Hinweise auf eine Atmosphäre. Messungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop zeigen, dass die Tagseite von HD 3167 b viel kühler ist als bei einem dunklen, luftlosen Gesteinskörper erwartet. Der Fund grenzt ein, bei welchen Temperaturen Lavawelten ihre Gashüllen halten können.
Chicago (U.S.A.). Lavawelten sind kleine Gesteinsplaneten, deren sternzugewandte Seite so heiß wird, dass dort Gestein schmelzen kann. Gerade bei diesen extrem engen Umlaufbahnen sollten Sternwind und energiereiche Strahlung eine Atmosphäre besonders wirksam abtragen. Trotzdem haben Beobachtungen inzwischen bei mehreren sehr heißen Lavawelten Hinweise auf Gashüllen geliefert.
Unklar war bisher, bei welcher Temperatur dieser Trend endet und wie scharf die Grenze zwischen Welten mit und ohne Atmosphäre ausfällt. HD 3167 b kann diese Grenze genauer eingrenzen, weil der Planet etwa 1,6-mal so groß wie die Erde ist und seinen Stern in nur 0,96 Tagen umrundet. Mit einer Gleichgewichtstemperatur von 1.786 Kelvin liegt der Planet am kühleren Rand der bisher atmosphärenverdächtigen Lavawelten und kann deshalb helfen, die Grenze zwischen Welten mit und ohne Gashülle einzugrenzen.
Ein Team der University of Chicago (UChicago) mit Erstautor Brandon Park Coy hat HD 3167 b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop während einer sekundären Finsternis beobachtet. Dabei verschwindet der Planet hinter seinem Stern, sodass sich aus dem kleinen Helligkeitsverlust seine eigene Wärmestrahlung ableiten lässt. Das Team bestimmte sie mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) im niedrig auflösenden Spektroskopiemodus und drei unabhängigen Auswertungsverfahren.
Gemessen wurde eine Finsternistiefe von 38 ± 11 Millionstel. Für einen dunklen, maximal aufgeheizten Gesteinskörper ohne Atmosphäre wären rund 104 ± 3 Millionstel zu erwarten, während die abgeleitete Tagseiten-Helligkeitstemperatur von etwa 1.300 Kelvin das Modell eines dunklen, nackten Gesteinsplaneten mit fünf Standardabweichungen ausschließt.
„Dieser Planet ist jedoch die bisher kälteste gefundene Lavawelt mit Hinweisen auf eine Atmosphäre. Das ist interessant, weil wir versuchen, den Temperaturübergang zwischen Planeten mit und ohne Atmosphären zu verstehen“, sagt Brandon Park Coy.
Eine Atmosphäre kann die Tagseite abkühlen, indem sie Wärme auf die Nachtseite transportiert oder einfallendes Sternlicht reflektiert. Nach den Modellrechnungen reicht selbst eine vollständige Wärmeverteilung allein nicht aus. In diesem Fall wäre zusätzlich ein effektives Rückstrahlvermögen von rund 0,72 nötig, was auf stark reflektierende Wolken oder andere helle Bestandteile hindeuten könnte.
Welche Stoffe die vermutete Atmosphäre bilden, lässt sich aus den bisherigen Daten nicht bestimmen. Denkbar sind verdampfte Gesteinsbestandteile und silikatreiche Gase, aber auch schwerere Moleküle wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Wasser werden diskutiert, während das gemessene Emissionsspektrum noch zu ungenau ist, um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden.
„Die Zusammensetzung der Atmosphäre von HD 3167 b ist noch offen. Das ist einer der Gründe, warum wir so daran interessiert sind, neue Beobachtungen zu bekommen“, sagt Brandon Park Coy.
Auch die Dichte des Planeten ist mit einer Atmosphäre vereinbar, liefert für sich genommen aber keinen eindeutigen Nachweis, weshalb die ungewöhnlich kühle Tagseite für die Interpretation entscheidend ist. Im Vergleich mit anderen Gesteinsplaneten deutet die Studie darauf hin, dass sich der Übergang zu häufigeren dicken oder stark reflektierenden Atmosphären bei Lavawelten ungefähr zwischen Bestrahlungstemperaturen von 2.000 und 2.500 Kelvin befinden könnte.