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Extrasolare Planeten: Heißer Jupiter: Hitze am Tag und Kälte bei Nacht

Der Heiße Jupiter WASP-43b befindet sich in einer gebundenen Rotation um seinen Stern. Damit wird durchgehend nur eine Seite des Exoplaneten beschienen, während es auf der anderen Seite immer Nacht ist. Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble zeigten, dass der Wärmetransport in der Atmosphäre des Planeten unwirksam ist und dass extreme Temperaturunterschiede zwischen der Tag- und Nachtseite vorliegen.
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Mit Hilfe von photometrischen Beobachtungen ließen sich bereits Temperaturunterschiede zwischen den beschienenen und den dunklen Seiten von Heißen Jupitern nachweisen. Eine Forschergruppe um Kevin Stevenson von der University of Chicago sammelte nun darüber hinaus Emissionsspektren des Exoplaneten WASP-43b, um zu untersuchen, wie die Atmosphäre des Heißen Jupiter auf die extreme Einstrahlung reagiert. Dabei stellten sie fest, dass die absorbierte Energie offenbar nicht wirksam innerhalb der Atmosphäre umverteilt wird. Bei einem schlechten Wärmetransport wird die Temperaturverteilung auf Planeten größtenteils durch die Energieeinstrahlung bestimmt, so dass sich starke Unterschiede – beispielsweise zwischen den Äquatorregionen und den Polen – ausbilden. Im Gegensatz dazu entstehen bei einem guten Wärmetransport nur kleine Temperaturdifferenzen innerhalb der Atmosphäre. Das ist im Sonnensystem bei der Venus und bei den Gas- und Eisriesen der Fall.

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Die Lichtkurve von WASP-43b | Die Lichtkurve wurde mit Hilfe von Beobachtungen zu unterschiedlichen Zeiten und bei mehreren Wellenlängen erstellt. Sie zeigt die beobachtete Helligkeit bei unterschiedlichen Phasen innerhalb eines Umlaufs des Exoplaneten um seinen Stern. Um die Phase Null herum bedeckt der Planet den Stern, und der Energiefluss nimmt für eine kurze Zeit deutlich ab (Bildausschnitt). Im weiteren Verlauf bewegt sich der Planet so, dass er uns immer größere Teile seiner Tagseite zuwendet. Somit nimmt die Helligkeit stetig zu, bis sie wieder kurzzeitig abfällt, sobald der Planet während der sekundären Bedeckung hinter dem Stern verschwindet. Danach nimmt die Helligkeit langsam wieder ab. Klar zu erkennen ist auch, dass das Helligkeitsmaximum bereits vor der zweiten Bedeckung stattfindet. Diese Verschiebung spricht für ostwärts gerichtete Winde in der Äquatorregion.

WASP-43b zählt zu den extremsten Heißen Jupitern. In einem Abstand von nur rund zwei Millionen Kilometern umkreist der rund zwei Jupitermassen schwere Exoplanet sein Zentralgestirn mit einer Umlaufdauer von 19,5 Stunden. Dabei befindet er sich in einer gebundenen Rotation: Seine Drehung um die eigene Achse beansprucht die gleiche Zeit wie ein Umlauf um den Stern, so dass immer die selbe Seite dem Zentralgestirn zugewandt ist. Bei einer solchen Konfiguration ist zu erwarten, dass die Tagseite extrem aufgeheizt wird und dass bei einem schlechten Wärmetransport der Temperaturunterschied zur Nachtseite erheblich ist. Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher Beobachtungsdaten, die im November und Dezember 2013 mit dem Weltraumteleskop Hubble aufgezeichnet wurden. Dabei erfassten sie mehrere volle Umläufe des Planeten um den Stern sowie Vorübergänge vor und hinter dem Sternscheibchen. Aus diesen Daten erstellten die Wissenschaftler ortsaufgelöste Helligkeits- beziehungsweise Temperaturkarten der gesamten Planetenoberfläche und bei unterschiedlichen Wellenlängen im Bereich von 1,1 bis 1,7 Mikrometern.

Wie vorherzusehen war, stellten sie dabei einen extremen Unterschied zwischen der Tag- und Nachtseite fest, was für einen schlechten Wärmetransport spricht. Der Befund passt auch zu dem Ergebnis, dass die Temperaturen mit zunehmender Atmosphärentiefe ansteigen. Das ist zu erwarten, wenn die Zeitskala für die Kühlung durch Abstrahlung kürzer ist als diejenige Zeit, in der dynamische Prozesse in der Atmosphäre wirksam werden können. Darüber hinaus zeigte sich eine ostwärts gerichtete Verschiebung des heißesten Punkts auf dem Planeten gegenüber der Region mit der höchsten Einstrahlung. Simulationen von atmosphärischen Prozessen erklären dies mit heftigen Winden in der Äquatorgegend. Mit Hilfe von wellenlängenabhängigen Unterschieden in den Daten schlossen die Forscher zudem auf Wasserdampfvorkommen, die einen Teil der einfallenden Strahlung absorbieren.

Die Arbeit zeigt auf erstaunliche Weise, wie Emissionsspektren von Exoplaneten, die über eine gesamte Umlaufperiode aufgenommen wurden, Hinweise auf die Dynamik von Atmosphären bei extremen Bedingungen liefern können.

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  • Quellen
Stevenson, K. B. et al., Science, Oktober 2014

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