James Webb: Supererden sollen Rückschlüsse auf Erdentwicklung geben

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Die US-Weltraumbehörde NASA will nach erfolgreicher Kalibrierung der wissenschaftlichen Instrumente des James-Webb-Weltraumteleskops im ersten Jahr zwei heiße Exoplaneten untersuchen, die wegen ihrer Größe und Gesteinszusammensetzung als "Supererden" eingestuft sind. Das teilte die NASA am Donnerstag mit.

Konkret handelt es sich um den mit Lava bedeckten Exoplaneten 55 Cancri e sowie LHS 3844 b, der als weitgehend atmosphärenlos angenommen wird. Nach Angaben der NASA soll mithilfe der hochpräzisen Spektrographen des James-Webb-Teleskops die Geologie der Planeten untersucht werden. Die NASA verspricht sich davon, neue Erkenntnisse zu der geologischen Vielfalt von Planeten in der Galaxie zu erhalten. Zugleich erhoffen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Untersuchung der beiden Supererden mögliche Rückschlüsse auf die Entwicklung von Gesteinsplaneten wie die Erde ziehen zu können.

Lavabedeckter Exoplanet 55 Cancri e

Bei 55 Cancri e handelt es sich um einen Exoplaneten, der um den sonnenähnlichen Stern 55 Cancri A kreist und rund 40 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. 55 Canri e ist einer von zurzeit fünf bekannten Exoplaneten, die ihn umkreisen. 55 Cancri e soll nach aktuellem Stand dem Stern am nächsten sein und umkreist ihn in einer Entfernung von weniger als 1,5 Millionen Kilometern innerhalb von 18 Stunden. Auf dem Planeten geht es recht ungemütlich zu. Die Nähe zu 55 Cancri A sorgt für Oberflächentemperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes herkömmlicher gesteinsbildender Mineralien. Die Tagseite des Planeten ist entsprechend mit Lavaozeanen bedeckt, schreibt die NASA.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nehmen an, dass die deutliche Nähe von 55 Cancri e zu dem sonnenähnlichen Stern dafür sorgt, dass eine Seite des Exoplaneten immer dem Stern zugewandt ist. Normalerweise sollte der heißeste Bereich dort liegen. Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Spitzer deuten jedoch darauf hin, dass das nicht der Fall ist.

Einen Erklärungsversuch dafür liefert Renyu Hu vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Er und seine Kollegen gehen davon aus, dass der Planet eine dichte, dynamische Atmosphäre besitzt, in der Sauerstoff und Stickstoff vorherrschen. Um die Bandbreite der thermischen Emission der Tagseite des Exoplaneten zu erfassen, wollen er und sein Wissenschaftsteam mit Nahinfrarotkameras (NIRCam) und dem Mittelinfrarotinstrument (MIRI) an Bord des James Webb das thermische Emissionsspektrum der Tagseite des Planeten untersuchen. Sollte 55 Cancri e eine Atmosphäre haben, könne dies mit den Instrumenten erfasst werden. Die notwendige Empfindlichkeit und der Wellenlängenbereich, um das herausfinden zu können, seien bei den Instrumenten gegeben.

Möglicher Lavaregen

Allerdings gibt es noch einen weiteren Erklärungsansatz für die abweichende Hitze. Ihn liefert der schwedische Astronom Alexis Brandeker, der an der Universität Stockholm tätig ist. Er bringt ins Spiel, dass 55 Cancri e nicht gezeitengebunden sein könnte. Der Planet könne ähnlich wie der Merkur alle zwei Umläufe dreimal rotieren (3:2-Resonanz), sodass er einen Tag-Nacht-Zyklus haben könnte. Nach Ansicht von Brandeker wäre dies eine Erklärung dafür, warum der heißeste Teil an einer anderen Stelle liegt, als er eigentlich liegen müsste.

"Genau wie auf der Erde würde es Zeit benötigen, bis sich die Oberfläche aufheizt. Die heißeste Zeit des Tages wäre am Nachmittag und nicht sofort zur Mittagszeit", erklärt er. Die Richtigkeit dieser Annahme will Brandeker ebenfalls mithilfe der NIRCam des James Webb nachweisen. Dazu soll auf der beleuchteten Seite des Planeten die emittierte Wärme innerhalb von vier Umläufen erfasst werden. Sollte eine 3:2-Resonanz vorliegen, sei eine Hemisphäre zweimal beobachtbar. Die Oberfläche würde sich demnach tagsüber aufheizen, schmelzen, verdampfen und eine "sehr dünne Atmosphäre" bilden, die mit dem Weltraumteleskop nachgewiesen werden könnte. Dieser Dampf würde am Abend abkühlen, auf die Oberfläche herabregnen und zur Nacht wieder erstarren, lautet die Hypothese von Brandeker.

Gesteinsanaylse von LHS 3844 b

Anders als 55 Cancri e, aber nicht minder exotisch mutet der LHS 3844 b an. Er umkreist seinen Stern ebenfalls in geringer Nähe innerhalb von 11 Stunden. Sein Stern ist jedoch klein und eher kühl. Das deutet darauf hin, dass die Oberfläche vermutlich nicht geschmolzen ist. Es werden jedoch Temperaturen jenseits von 525 °C angenommen. Beobachtungen mit dem Spitzer-Teleskop legen nahe, dass LHS 3844 b über keine nennenswerte Atmosphäre verfügt, heißt es von der NASA.

Zwar könne die Oberfläche mit James Webb "nicht direkt abgebildet werden". Die Oberfläche könne jedoch aufgrund der fehlenden verdeckenden Atmosphäre spektroskopisch untersucht werden. So könnten über die unterschiedlichen Spektren von Gesteinsarten die vorherrschenden Gesteine ermittelt werden, erläutert Laura Kreidberg, Leiterin der APEx-Abteilung am Max-Planck-Institut für Astronomie. Dazu wollen sie und ihr Team das thermische Emissionsspektrum der Tagseite mit MIR erfassen und die so ermittelten Spektren mit denen bekannter Gesteine wie Basalt und Granit vergleichen. Sollte es auf dem Planeten aktive Vulkane geben, ließe sich das ebenfalls nachweisen.

Rückschlüsse von Supererden auf die Erde

Kreidberg geht davon aus, dass die Ergebnisse der Beobachtungen einen Aufschluss über die anderer erdähnlicher Planeten geben können. Zudem könnten die Ergebnisse Rückschlüsse darauf geben, "wie die frühe Erde ausgesehen haben könnte, als sie so heiß war wie diese Planeten heute".

(olb)