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Webb-Teleskop hat erstmals veränderliche Wasserwolken außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt
Auch außerhalb unseres Sonnensystems scheint es wechselnde Wasserwolken zu geben. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat am kalten Braunen Zwerg WISE 0855 über elf Stunden Veränderungen des Infrarotlichts gemessen, die nach Modellrechnungen auf unterschiedlich dichte Wolken hinweisen. Zugleich deuten bestimmte Gassignale auf aufsteigende Strömungen aus tieferen Atmosphärenschichten hin.
Tucson (U.S.A.). Wolken, Stürme und aufsteigende Luftmassen prägen nicht nur das Wetter der Erde. Auch in den Atmosphären von Gasriesen und Braunen Zwergen, also Himmelskörpern zwischen Planeten und Sternen, können sich Strömungen und Wolkenfelder verändern. Von weit entfernten Objekten gelangt allerdings so wenig Licht zur Erde, dass sich solche Wettervorgänge nur indirekt erkennen lassen.
Besonders schwierig ist das bei WISE 0855, dem etwa 7,5 Lichtjahre entfernten, ungefähr jupitergroßen und bislang kältesten bekannten Braunen Zwerg. Seine effektive Temperatur liegt bei rund 265 Kelvin, entsprechend etwa minus acht Grad Celsius. Bei dieser Kälte könnte Wasser in höheren Atmosphärenschichten kondensieren. Frühere Messungen hatten bereits Wolken vermuten lassen, konnten deren Wirkung aber nicht klar von Temperatur- und Gasveränderungen trennen.
Forscher der University of Arizona (U of A) um Dr. Brittany E. Miles haben den Braunen Zwerg nun mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersucht. Der Spektrograf NIRSpec zerlegte sein infrarotes Licht elf Stunden lang alle 15 Minuten in einzelne Wellenlängen. Die 44 Spektren erlauben einen genaueren Vergleich der zeitlichen Schwankungen mit den charakteristischen Absorptionsmustern verschiedener Moleküle.
Das gemessene Licht änderte sich je nach Wellenlänge um ein bis zehn Prozent. Am stärksten schwankte die Absorption von Kohlenmonoxid, kurz CO. Zugleich zeigten Kohlenmonoxid und Phosphin (PH₃) miteinander verknüpfte Veränderungen, während die Signale von Wasserdampf und Methan teilweise deutlich gleichmäßiger blieben.
Während eine einfache Helligkeitskurve nur die Summe aller Einflüsse zeigt, können die Forscher mithilfe der Spektren mehrere Prozesse voneinander unterscheiden. Ein Teil der Veränderungen passt zu ungleichmäßig verteilten Wasserwolken in höheren Atmosphärenschichten. Ein anderer Teil hängt offenbar mit chemischen Gasen aus deutlich größeren Tiefen zusammen.
„Wir sehen, wie Wasserwolken dicker und dünner werden und Gase aus der Tiefe auf- und absteigen, wobei wir diese Veränderungen tatsächlich in Echtzeit beobachten können“, sagt Dr. Brittany E. Miles.
Die Gassignale lassen sich durch Konvektion erklären, bei der Wärme aus dem Inneren aufsteigende Strömungen antreibt. Dabei gelangen Kohlenmonoxid und Phosphin in Atmosphärenschichten, in denen ihre Häufigkeit bei einem chemischen Gleichgewicht anders ausfallen würde. Aus den voneinander abweichenden Schwankungen folgert das Team, dass Wolken und Gase in unterschiedlichen Höhen zum gemessenen Licht beitragen.
Was das Teleskop aufnimmt, ist somit kein unmittelbares Bild einzelner Wolken, sondern das Licht, das durch verschiedene Gase und Wolkenschichten gefiltert wird. Welche Schicht welchen Anteil daran hat, muss aus den Absorptionsmustern und mithilfe von Atmosphärenmodellen erschlossen werden. Dies erschwert auch die Bestimmung der genauen Wolkendicke.
„Die Photonen durchqueren die Atmosphäre und entweichen ins All. Es ist, als würde man eine Welt durch eine Fliegengittertür betrachten, wobei das Gitter einen Teil des Lichts herausfiltert. Wir erfahren etwas über die Welt auf beiden Seiten des Gitters, müssen aber auch das Gitter selbst verstehen“, erklärt Mark Marley von der University of Arizona.