Um etwas über die Struktur der Atmosphären von Exoplaneten zu erfahren, mussten die Planeten bisher von der Erde aus gesehen direkt vor ihren Muttersternen vorbeilaufen. Nun hat ein internationales Astronomenteam eine neue Methode entwickelt, mit der sich auch andere Konstellationen analysieren lassen. Mit ihr wird es in Zukunft möglich sein, wesentlich mehr Informationen über die Atmosphären fremder Planeten zu sammeln. Erstmals erfolgreich getestet wurde die Technik bei dem Exoplaneten Tau Bootis b - mit überraschenden Ergebnissen.

Die Wissenschafter fingen mit Hilfe des Very Large Telescope der ESO das schwache Leuchten des Planeten selbst auf und konnten so erstmals die Masse von Tau Bootis b präzise bestimmen, seine Umlaufbahn vermessen und seine Atmosphäre analysieren. Dabei kamen sie der Lösung eines 15 Jahre alten Rätsels auf die Spur. Sie stellten außerdem fest, dass die Atmosphäre des Planeten unerwarteterweise in großer Höhe kühler ist als weiter innen - obwohl der Planet seinem Stern sehr nahe ist.

"Heißer Jupiter" in Erdnähe

Der Planet Tau Bootis b wurde bereits im Jahre 1996 entdeckt und ist damit einer der ersten bekannten Exoplaneten überhaupt. Nach wie vor ist er mit rund 51 Lichtjahren einer der erdnächsten Exoplaneten, den die Astronomen kennen. Sein Mutterstern ist daher leicht mit bloßem Auge zu sehen. Für den Planeten gilt das allerdings nicht: Bislang hatte sich Tau Bootis b ausschließlich durch seine Schwerkraftwirkung auf seinen Stern bemerkbar gemacht. Der Planet ist ein sogenannter "heißer Jupiter": ein großer Gasplanet, dessen Umlaufbahn sehr nah am Stern liegt.

Wie bei den meisten Exoplaneten führt seine Umlaufbahn Tau Bootis b von der Erde aus gesehen nicht direkt vor seinem Mutterstern vorbei - es gibt keinen sogenannten Transit (so wie ihn irdische Beobachter kürzlich beim Venustransit in unserem eigenen Sonnensystem erleben konnten). Bis vor kurzem waren solche Transite allerdings die einzige Möglichkeit, die Atmosphäre solcher "heißer Jupiter" zu untersuchen: Wenn der Planet vor dem Stern vorbeiläuft, durchläuft ein winziger Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten. Dabei wird ein Teil des Lichtes herausgefiltert - und die Art und Weise, wie dies geschieht, ist für die Atmosphäre ähnlich charakteristisch wie ein Fingerabdruck für einen Menschen. Da bei Tau Bootis b kein Transit stattfindet, konnte man seine Atmosphäre bislang nicht auf diese Art und Weise untersuchen.

Masse und Atmosphärenstruktur entschlüsselt

Nach 15 Jahren erfolgloser Versuche, das schwache Leuchten zu untersuchen, das heiße Jupiter aussenden, ist es den Astronomen nun endlich gelungen, die Atmosphärenstruktur von Tau Bootis b zu entschlüsseln und außerdem noch die Masse des Planeten präzise zu bestimmen. Dazu nutzte das Team den CRIRES-Spektrografen am Very Large Telescope (VLT), das sich am Paranal-Observatorium der ESO in Chile befindet. Die Astronomen kombinierten hochpräzise Infrarotbeobachtungen bei einer Wellenlänge von ungefähr 2,3 Mikrometern mit einem innovativen Verfahren, das es ermöglicht, das schwache Leuchten des Planeten aus dem ungleich stärkeren Leuchten des Zentralgestirns herauszulösen.

"Dank der herausragenden Qualität der VLT/CRIRES-Beobachtungen konnten wir das Spektrum des Systems viel genauer untersuchen als jemals zuvor. Nur etwa 0,01% des Lichts, das wir sehen, gehört dabei zu dem Planeten. Der gesamte Rest stammt vom Stern. Es war also keine leichte Aufgabe, das eine vom anderen zu trennen!" erklärt Matteo Brogi von der Sterrewacht Leiden (Niederlande), der Erstautor der Studie, die im Fachjournal "Nature" erschienen ist.

Tau Bootis b sechs Mal so massiv wie der Jupiter

Die Mehrzahl der bekannten Exoplaneten wurde durch die Wirkung ihrer Schwerkraft auf ihr Zentralgestirn entdeckt. Mit dieser Methode kann jedoch nur eine Untergrenze für die Planetenmasse bestimmt werden, nicht die tatsächliche Masse. Die bei der hier vorgestellten Studie erstmals angewandte neue Methode ist weit leistungsfähiger: Indem sie das Licht des Planeten direkt untersuchten, konnten die Astronomen den Winkel zwischen seiner Bahnebene und der Sichtlinie zur Erde messen. Daraus lässt sich wiederum die Masse des Planeten sehr genau bestimmen. Über die Veränderungen in der Bewegung des Planeten um seinen Stern konnte das Astronomenteam den Winkel zu 44° und die Masse des Planeten zu sechs Jupitermassen bestimmen.

"Die neuen VLT-Beobachtungen lösen das 15 Jahre alte Rätsel der tatsächlichen Masse von Tau Bootis b. Die neue Technik erlaubt es uns, nun auch die Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen, die von uns aus gesehen nicht vor ihrem Stern vorbeiziehen, und gleichzeitig ihre Masse exakt zu bestimmen. Das war vorher nicht möglich und ist daher ein bedeutender Fortschritt," erläutert Ignas Snellen, ebenfalls von der Sterrewacht Leiden und Koautor der Studie.

Überraschende Temperaturverteilung

Neben dem direkten Nachweis der Atmosphäre und der Bestimmung der Masse von Tau Bootis b gelang es den Astronomen, die Menge an Kohlendioxid und die Temperatur in verschiedenen Schichten der Planetenatmosphäre zu messen. Dazu verglichen sie ihre Beobachtungen mit theoretischen Modellen. Ein überraschendes Ergebnis dieser Studie ist, dass die Temperatur der Atmosphäre in großen Höhen mit zunehmender Höhe geringer wird. Dies ist das genaue Gegenteil der Temperaturinversion - also des Ansteigens der Temperatur mit der Höhe - die man bei anderen Exoplaneten aus der Klasse der „heißen Jupiter" gefunden hat.

Die VLT-Beobachtungen zeigen, wie wichtig hochaufgelöste Spektroskopie mit bodengebundenen Teleskopen ist, wenn man präzise Analysen der Atmosphären derjenigen Exoplaneten vornehmen will, die nicht vor ihren Zentralgestirnen vorüberziehen. In Zukunft sollte der Nachweis von unterschiedlichen Molekülsorten die Astronomen in die Lage versetzen, die Atmosphären dieser Planeten noch besser zu verstehen. Führt man diese Art von Beobachtung mehrmals durch und erfasst dabei unterschiedliche Positionen des Planeten auf seiner Umlaufbahn, dann könnten sich sogar Unterschiede des Atmosphärenzustands am Morgen und am Abend herausarbeiten lassen.

"Unsere Studie zeigt das große Potenzial heutiger bodengebundener Teleskope und ihrer Nachfolger wie des E-ELT. Möglicherweise werden wir mit dieser Methode eines Tages sogar Anzeichen für biologische Aktivität auf erdähnlichen Exoplaneten finden können ", schließt Ignas Snellen. (red, derstandard.at, 27.6.2012)