WASP-76b ist ein ultraheißer Jupiter, der etwa 640 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Fische liegt. Vor einigen Jahren wurde es dafür bekannt, dass es so heiß ist, dass Eisen als Regen fällt. Es ist durch Gezeiten an seinen Stern gebunden, und die dem Stern zugewandte Hemisphäre des Planeten kann Temperaturen von bis zu 2400 Grad Celsius erreichen, weit über dem Schmelzpunkt von Eisen von 1538 Grad Celsius.
Wissenschaftler untersuchen den Planeten seit seiner Entdeckung im Jahr 2013 und neue Beweise deuten darauf hin, dass er noch heißer ist als gedacht. Aber fast enttäuschend kann es sein, dass es doch keinen eisernen Regen gibt.
Die Entdeckung, dass WASP-76b noch heißer sein könnte als gedacht, basiert auf mehrjährigen Beobachtungen des Exoplaneten. Ein neuer Artikel, der auf einigen dieser Beobachtungen basiert, wird in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Sein Titel lautet „ Nachweis von ionisiertem Calcium in der Atmosphäre des ultraheißen Jupiter WASP-76b .“ Emily Deibert, eine Doktorandin der University of Toronto, ist die Erstautorin des Artikels.
Das Studium von Exoplaneten ist an einem interessanten Ort. Astronomen entwickeln neue Wege, um mehr Exoplaneten zu finden und ihre Atmosphären zu studieren. Die neue Forschung basiert auf einem Projekt namens ExoGemS – Exoplaneten mit Gemini-Spektroskopie. Es verwendet das Gemini North Telescope auf Mauna Kea und a hochauflösender Spektrograph um die Vielfalt der Atmosphären von Exoplaneten zu erkunden. Die ExoGemS-Durchmusterung soll mindestens 30 für Astronomen interessante Exoplaneten untersuchen, wobei WASP-76b als Benchmark für die Durchmusterung dient.
„Bei der Fernerkundung von Dutzenden von Exoplaneten mit unterschiedlichen Massen und Temperaturen“, sagte Co-Autor Ray Jayawardhana, „werden wir ein vollständigeres Bild der wahren Vielfalt außerirdischer Welten entwickeln – von denen, die heiß genug sind, um Eisen zu beherbergen Regen für andere mit gemäßigterem Klima, von denen, die kräftiger sind als Jupiter, bis zu anderen, die nicht viel größer als die Erde sind.“
Ein Beispiel für einen heißen Jupiter, der in der Nähe seines Sterns kreist. Bildquelle: ESA/ATG medialab, CC BY-SA 3.0 IGO
„Es ist bemerkenswert, dass wir mit den heutigen Teleskopen und Instrumenten bereits so viel über die Atmosphären – ihre Bestandteile, physikalischen Eigenschaften, das Vorhandensein von Wolken und sogar großräumige Windmuster – von Planeten lernen können, die Hunderte Lichtjahre entfernte Sterne umkreisen. “, sagte Jayawardhana in a Pressemitteilung .
WASP-76b erregte einige Aufmerksamkeit aufgrund einer früheren Studie, die ergab, dass es Eisen regnen kann. Die Temperatur am Tag ist heiß genug, um Eisen zu verdampfen, während die Temperatur auf der Nachtseite niedrig genug ist, damit das Bügeleisen zu Regen kondensiert. Die Idee war, dass irgendwo in der Nähe des Terminator des durch die Gezeiten eingeschlossenen Planeten würde Eisen zu Flüssigkeit kondensieren und an die Oberfläche fallen.
Das mag nicht wahr sein, aber dazu kommen wir. Diese neue Forschung zeigt, dass WASP-76b tatsächlich heißer sein könnte als gedacht. Es geht auf die Entdeckung eines seltenen Trios spektroskopischer Linien von ionisiertem Kalzium in der Atmosphäre zurück.
Der Exoplanet hat eine komplexe Atmosphäre und Astronomen untersuchen ihn aus Hunderten von Lichtjahren Entfernung, daher sind alle Schlussfolgerungen wahrscheinlich nicht endgültig. In ihrem Papier sagen die Autoren, dass WASP-76b wahrscheinlich eine entweichende Atmosphäre hat und dass die Hydrodynamik der Atmosphäre die ionisierten Kalziumlinien in der Spektrometrie beeinflusst. „Die höhere Temperatur würde dann zu einer verstärkten Produktion von ionisiertem Kalzium und damit zu starken Absorptionseigenschaften führen“, schreiben sie.
„Wir sehen so viel Kalzium; es ist ein wirklich starkes Merkmal“, sagte die Erstautorin Emily Deibert, eine Doktorandin der University of Toronto, deren Beraterin Jayawardhana ist. „Diese spektrale Signatur von ionisiertem Kalzium könnte darauf hinweisen, dass der Exoplanet sehr starke Winde in der oberen Atmosphäre hat“, sagte Deibert. „Oder die atmosphärische Temperatur auf dem Exoplaneten ist viel höher als wir dachten.“
Diese Abbildung aus der Studie enthält unglaublich viele Details, aber die Einbrüche repräsentieren die drei spektroskopischen Linien von ionisiertem Kalzium. Bildquelle: Deibert et al. 2021.
Das so viel Aufmerksamkeit erregte Eisen könnte in einer seiner Formen mitverantwortlich für die extreme Hitze sein. Neben Mg könnte auch eine andere Form von Eisen die Abkühlung der Atmosphäre erschweren. „Identifizierte Mechanismen, die zu Temperaturerhöhungen in der Atmosphäre ultraheißer Jupiter führen, sind Metallphotoionisation und NLTE< nicht-lokales thermodynamisches Gleichgewicht > Effekte in Form einer Überpopulation von Arten, die für die Erwärmung verantwortlich sind (z. B. Fe ii) zusammen mit einer Unterpopulation von Arten, die für die Kühlung verantwortlich sind (z. B. Fe i und Mg).“
WASP-76b ist wahrscheinlich der einzige Planet im System und hat etwa 92% der Masse des Jupiter. Es hat eine Umlaufzeit von weniger als zwei Tagen. Seine häufigen Transite machen es zu einem guten Studienziel. Die Autoren dieser Studie beabsichtigen, den Exoplaneten eingehender zu untersuchen. „In einem bevorstehenden Papier werden wir den gesamten Spektralbereich analysieren, der von diesen Beobachtungen abgedeckt wird, und nach Absorption aufgrund einer Reihe von atomaren, ionischen und molekularen Spezies suchen, die mit hoher Auflösung modelliert wurden…“, schreiben sie.
Was ist mit dem Eisernen Regen?
Es wird allgemein berichtet, dass WASP-76b geschmolzenes Eisen regnet. Aber laut einer separaten Studie ist dies möglicherweise nicht der Fall.
In einem Papier mit dem Titel „ Kein Regenschirm erforderlich: Konfrontation mit der Hypothese von Eisenregen auf WASP-76b mit nachbearbeitetem
allgemeine Umlaufmodelle “, sagt ein Forscherteam, dass Eisenregen unwahrscheinlich ist und etwas anderes die Beobachtungen erklären kann.
Dieses Team um den Erstautor Arjun Savel weist darauf hin, dass WASP-76b das erste Mal ist, dass irgendeine Art von Eisenregen in einer Exoplanetenatmosphäre postuliert wurde. „Die oben erwähnte Interpretation des Gradienten der Eisenchemie wäre die erste ihrer Art unter den Atmosphären von Exoplaneten“, schreiben sie. Ihnen zufolge gibt es eine andere Erklärung, und sie kann wahrscheinlicher sein.
Sie sagen, dass die Daten, die Eisenregen zeigen, durch die Temperatur erklärt werden könnten. „Die Notwendigkeit eines chemischen Gradienten zur Erklärung der vorliegenden Beobachtungen wurde jedoch von den Vorwärtsmodellen von Wardenier et al. in Frage gestellt. (2021), die selbstkonsistent Transmissionsspektren aus einem 3D-Modell dieses Planeten berechnen und feststellen, dass entweder die Eisenkondensation oder eine signifikante Temperaturasymmetrie mit dem von Ehrenreich et al. (2020) Daten.“
Die von ihnen erwähnte Temperaturasymmetrie liegt zwischen der Vorder- und Hinterkante der Atmosphäre. Leider können vorhandene Daten nicht zwischen tatsächlichem Eisenregen und Temperaturasymmetrie unterscheiden. Es gibt ein weiteres Problem mit den Daten. Es stellt sich heraus, dass der Stern WASP-76 einen etwa 85 AE entfernten stellaren Begleiter haben könnte. Das Licht dieses Sterns könnte in einigen der ursprünglichen Hubble-Spektroskopie von WASP-76b vorhanden gewesen sein und die Daten verfälschen.
Die Illustration dieses Künstlers zeigt einen Planeten, der genug erhitzt wird, um Metalle zu schmelzen. Bildnachweis: NASA, ESA und G. Bacon (STSci)
Sie weisen auch darauf hin, dass ultraheiße Jupiter-Atmosphären für Fe-Wolken nicht förderlich sind. „Außerdem werden Fe-Wolken in heißen Jupiter-Atmosphären nicht unbedingt bevorzugt; Mikrophysikalische Modelle zeigen, dass die Nukleationsrate von Fe niedrig ist, was dazu führt, dass Fe-Wolken tief in der Atmosphäre abgesondert werden.“
Ein weiteres Papier aus dem Jahr 2021 mit dem Titel „ Zerlegung des Eisernen Kreuz-Korrelationssignals des ultraheißen Jupiter WASP-76b in Transmission mit 3D Monte-Carlo Radiative Transfer “ argumentiert auch gegen den eisernen Regen-Schluss. Darin schreiben die Autoren: „Wir zeigen auch, dass das zuvor veröffentlichte Eisensignal von WASP-76b durch ein Modell reproduziert werden kann, das eine Eisenkondensation an der vorderen Extremität zeigt. Alternativ kann das Signal durch eine erhebliche Temperaturasymmetrie zwischen dem nachlaufenden und dem führenden Glied erklärt werden, bei der die Eisenkondensation nicht unbedingt erforderlich ist, um die Daten abzugleichen.“
Um fair gegenüber den Forschern zu sein, die ursprünglich die Anwesenheit von . vorgeschlagen haben Eisenregen auf WASP-76b , sie sagten nur, dass dies aufgrund der Daten, die sie hatten, möglich war. Schlagzeilen deuteten darauf hin, dass es ein abgeschlossener Deal war, aber so funktionieren Schlagzeilen. David Ehrenreich, Professor am Institut für Astronomie der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Genf, Schweiz, war der Hauptautor dieser Arbeit.
In ihrem Papier sagten sie, dass ihre Ergebnisse auf zwei Arten erklärt werden können, und nur eine davon beinhaltet Eisenregen. Die Ergebnisse „… können durch eine Kombination aus Planetenrotation und Wind von der heißen Tagesseite erklärt werden“ einerseits. Auf der anderen Seite „… kommt kein Signal von der Nachtseite in der Nähe des Morgenterminators, was zeigt, dass atomares Eisen dort kein Sternenlicht absorbiert.“ Aber wie wir gesehen haben, könnte das Fehlen eines Eisensignals auf eine Temperaturasymmetrie zurückzuführen sein.
Im Moment ist sich also niemand sicher, ob es einen Planeten gibt, der so heiß ist, dass es Eisen regnet. Aber interessant wäre es sicher. Stärkere Instrumente, wie das kommende James Webb Space Telescope, sollten uns dabei helfen, dies mit Sicherheit herauszufinden.
Mehr:
- Pressemitteilung: Spectrum zeigt, dass der extreme Exoplanet noch exotischer ist
- Forschungsbericht: Nachweis von ionisiertem Calcium in der Atmosphäre des ultraheißen Jupiter WASP-76b
- Forschungsbericht: Kein Regenschirm erforderlich: Konfrontation der Hypothese des Eisenregens auf WASP-76b mit nachbearbeiteten allgemeinen Zirkulationsmodellen