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EXTRASOLARE PLANETEN
Kalium bei heißem Jupiter nachgewiesen
Redaktion / Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam
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5. September 2019

Einem Team von Astronominnen und Astronomen ist es erstmals gelungen, Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten überzeugend nachzuweisen. Das Vorhandensein des Elements war schon länger vermutet worden, es war aber bislang nicht aufzuspüren gewesen. Für die Studie wurde das Instrument PEPSI am Large Binocular Telescope in Arizona genutzt.

heißer Jupiter

Künstlerische Darstellung eines heißen Jupiters (rechts) und seines kühlen Heimatsterns. Bild: AIP/Kristin Riebe [Großansicht]

Die chemischen Elemente Natrium und Kalium werden schon seit den frühesten theoretischen Vorhersagen vor 20 Jahren vor allem in der Atmosphäre von "heißen Jupitern" erwartet, einige tausend Kelvin heißen Gasplaneten, die eng um ferne Sterne kreisen. Während Natrium schon früh auch in hochauflösenden Messungen gefunden werden konnte, war dies bei Kalium nicht der Fall, was der Atmosphärenchemie und -physik einige Rätsel aufgab.

Die Elemente können entdeckt werden, wenn man das Lichtspektrums des Heimatsterns analysiert, während der Planet von der Erde aus gesehen vor ihm vorbeizieht. Die unterschiedlichen Elemente hinterlassen im Lichtspektrum spezifische Absorptionssignale, dunkle Linien, die auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Rückschlüsse ziehen lassen. Wolken in der Atmosphäre der heißen Jupiter können diese Absorptionssignale jedoch stark abschwächen und damit den Nachweis der entsprechenden Elemente erschweren.

Selbst für den bisher am besten untersuchten heißen Jupiter HD189733b gab es bisher nur sehr vage und ungenaue Kenntnisse zur Kaliumabsorption in der Atmosphäre. Der 64 Lichtjahre entfernte, in etwa jupitergroße Exoplanet, umkreist seinen Heimatstern – ein Zwergstern mit 0,8 Sonnenmassen – 30-mal näher als die Erde die Sonne und braucht dafür nur 53 Stunden. Erst mit der großen Lichtsammelfläche der zwei 8,4-Meter-Spiegel am LBT und den hohen spektralen Auflösungsmöglichkeiten des Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) gelang es nun zum ersten Mal, Kalium in den atmosphärischen Schichten über den Wolken definitiv nachzuweisen.

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Mit den neuen Messungen können Forscherinnen und Forscher nun die Absorptionssignale von Kalium und Natrium vergleichen und damit mehr über Kondensations- und Ionisationsprozesse in diesen Exoplanetenatmosphären erfahren. Die hierfür am LBT angewendete Technik heißt Transmissionsspektroskopie. Dazu ist es erforderlich, dass der Exoplanet vor seinem Heimatstern vorbeizieht. "Wir haben eine Zeitreihe von Lichtspektren während des Vorbeizugs des Planeten vor seinem Stern aufgenommen und die Absorptionstiefe verglichen", erklärt der Hauptautor der Studie, Engin Keles, Doktorand am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) in der Gruppe Sternphysik und Exoplaneten. "Während des Transits entdeckten wir dann die Kaliumsignatur, die vor und nach dem Transit wie erwartet verschwand, was darauf hindeutet, dass die planetarische Atmosphäre die Absorption verursacht."

Untersuchungen anderer Teams zielten bereits darauf ab, Kalium auf demselben Exoplaneten zu entdecken, jedoch wurde entweder nichts gefunden oder das Gefundene war zu schwach, um statistisch bedeutsam zu sein. Bisher gab es keinen signifikanten Nachweis von Kalium in hochauflösenden Beobachtungen von Exoplaneten. "Unsere Beobachtungen haben den Durchbruch geschafft", betont Projekt-Mitverantwortlicher Dr. Matthias Mallonn, dem PEPSI-Projektleiter Prof. Klaus Strassmeier zustimmt: "PEPSI ist für diese Aufgabe gut geeignet, da es auf Grund seiner hohen spektralen Auflösung mehr Photonen pro Pixel aus sehr schmalen Spektrallinien sammeln kann als jede andere Teleskop-Spektrograph-Kombination."

"Sowohl als Spektrograph als auch als Polarimeter hat PEPSI bereits bedeutende Beiträge zur Sternphysik geleistet", ergänzt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums. "Dieser starke Nachweis von Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten etabliert PEPSI als erstaunliches Werkzeug zur Charakterisierung von Exoplaneten und als einzigartige Bereicherung für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft." Das Team, bestehend aus Kolleginnen und Kollegen aus Dänemark, den Niederlanden, der Schweiz, Italien und den USA, präsentiert seine Ergebnisse nun in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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Extrasolare Planeten: Trockener und staubiger als gedacht - 22. Februar 2007
Ferne Welten - die astronews.com Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten
Links im WWW
Fachartikel in den Monthly Notices
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
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