Wolkenloser heißer Exo-Neptun mit Biomarker

Astronomen entdecken kleinsten extrasolaren Planeten mit Wasserdampf in der Atmosphäre

Astronomen lokalisierten bis heute 1.822 Exoplaneten, die durch Nachfolgebeobachtungen bestätigt wurden. 4.234 Kandidaten befinden sich noch in der Warteschleife. Größtenteils handelt es sich bei ihnen um Neptun- bis Jupiter große Himmelskörper, die als Träger von biologischem Leben nicht in Frage kommen. Dies gilt auch für HAT-P-11b, einen Neptun großen Planeten, in dessen Atmosphäre Astronomen dennoch den Biomarker Wasserdampf entdeckten. Der aktuelle Fund ist für die weitere Suche nach Leben auf erdähnlichen Exoplaneten von Bedeutung. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Nature berichten, war der spektroskopische Nachweis von Wasser auf HAT-P-11b nur möglich, weil der Planet eine atmosphärische Besonderheit aufweist.

Wenn Astronomen mit modernen erdgebundenen Teleskopen oder Weltraumobservatorien, die über leistungsstarke Spektrografen verfügen, das von extrasolaren Planeten reflektierte stellare Licht in seine verschiedenen farblichen Bestandteile zerlegen und im Infrarotlicht die Temperatur und Zusammensetzung der exoplanetaren Atmosphäre sezieren, nutzen sie eine Methode, die in der Exoplanetenforschung immer mehr an Bedeutung gewinnt. Denn jedes chemische Element verrät sich durch einen signifikanten Fingerabdruck, der bei der Spektralanalyse zum Vorschein kommt.

Biomarker Wasserdampf entdeckt

Vor allem Exobiologen bauen auf das Spektropolarimetrie-Verfahren und hoffen mit ihm in den Atmosphären ferner Exoplaneten chemische Verbindungen wie Methan, Ozon oder Kohlenstoffmonoxid nachzuweisen. Fänden sie dereinst im Lichtspektrum eines erdähnlichen, in einer habitablen Zone gelegenen Planeten das Element Sauerstoff, wäre dies ein starkes Indiz für biologische Aktivität.

Schließlich fällt Sauerstoff respektive Oxygenium auf der Erde als Nebenprodukt der Photosynthese an, wird aber auch bei vielen nicht-biologischen Prozesse frei und konzentriert sich in der Atmosphäre und wohl auch in Exo-Atmosphären - ebenso wie Wasserdampf, der desgleichen ein guter Biomarker ist.

Letzteren haben Planetenforscher nunmehr in der Atmosphäre eines Neptun großen extrasolaren Planeten gefunden. Wie ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Jonathan Fraine von der Universität von Maryland in College Park (USA) im Fachjournal Nature berichtet, detektierten sie in der Planetenatmosphäre von HAT-P-11b mithilfe des Hubble- und Spitzer-Weltraumtelekops und unter Anwendung eines speziellen spektroskopischen Verfahrens reichlich Wasserdampf. Möglich wurde diese Entdeckung nur, weil der von der Erde 122 Lichtjahre entfernte Planet frei von Wolken ist und eine kristallklare Atmosphäre hat.

Störende Wolkenteppiche

Für Planetenforscher ist es fast schon Normalität, dass auch in den Atmosphären von Exoplaneten Wolken existieren. Ihr Vorhandensein mag für sich gesehen zwar interessant sein und über den jeweiligen Planeten aufschlussreiche Informationen geben. Aber ein dichter Wolkenteppich verhindert einerseits den direkten Blick auf die jeweilige Planetenoberfläche, andererseits erschwert ein solcher die spektroskopische Analyse, die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre.

Wie störend eine auf einem anderen Himmelskörper treibende Wolkendecke sein kann, zeigt die jüngere Astronomiegeschichte. Wer noch vor dem Jahr 1970 Näheres über die Atmosphäre und Oberflächenbeschaffenheit der irdischen Nachbarwelt Venus in Erfahrung bringen wollte, konnte seiner Fantasie freien Lauf lassen oder in Science-Fiction-Romanen bisweilen der Wahrheit näher kommen als mithilfe von astronomischen Lehrbüchern.

Erst die sowjetische Raumsonde Venera 7 korrigierte das Bild von der Venus ein wenig. Während ihres 35-minütigen Landemanövers und noch 23 Minuten nach dem Aufsetzen funkte der Roboter einige Daten über die Atmosphäre und Oberfläche der sonnennahen Welt zur Erde. Es war nur ein kleines Puzzle-Teil. Das Bild gewann erst nach weiteren Expeditionen zur Venus, insbesondere nach den beiden Pioneer-Venus-Missionen, an Größe, ist aber bekanntlich immer noch lückenhaft.

Analysierte Atome und Moleküle

Die Planetenjäger unserer Tage hingegen, die sich den Welten außerhalb unseres Sonnensystems verschrieben haben, können zwar (noch) keine Raumsonden zu Exoplaneten entsenden, verfügen aber mit der so genannten Transmissions-Spektroskopie über ein Verfahren, mit dem sie die gasförmige Zusammensetzung von Atmosphären extrasolarer Planeten Atom für Atom und Molekül für Molekül analysieren und die dort vorhandenen chemischen Elemente quantifizieren können.

Hierbei machen sie sich den chemischen Effekt zunutze, dass verschiedene Gase Licht auf unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren. Blockt beispielsweise ein dicker Wolkenteppich das eintreffende Sternenlicht ab, entsteht ein flaches Transmissions-Spektrum. Die Wolken verhindern den Durchgang des Sternenlichts durch die Atmosphäre, weswegen die verräterischen Absorptionen im Spektrum ausbleiben und die atmosphärische Zusammensetzung für Astronomen nicht mehr ermittelbar ist. Eine klare Atmosphäre ohne Wolken hingegen ermöglicht es dem Sternlicht, tiefer in die Atmosphäre einzudringen. Wasserdampf ist so dank seiner ausgeprägten Absorptionslinien leicht zu entdecken.

Eine gegenteilige Beobachtung machten Astronomen bei vier anderen Exo-Neptuns. In deren wolkenbedeckten Atmosphären verzeichneten sie während der Transits keine Absorptionslinien und keine Spuren von Wasser. Das Spektrum blieb flach.

Bei einigen Riesenplaneten jedoch sah dies anders aus. In deren Atmosphären wiesen die Planetenjäger unter Anwendung der Transmissions-Spektroskopie atomare und molekulare Absorptionen nach und fanden Hinweise auf vorhandenes Wasser. Da bei den kleineren und kühleren Planeten ein solcher Nachweis ungleich schwerer ist, gingen die Forscher bislang davon aus, dass die masserärmeren Welten mehrheitlich in dichte Wolken gehüllt sind. HAT-P-11b belehrt die Fachwelt nunmehr eines Besseren.