Ein 48 Lichtjahre entfernter Gesteinsplanet liefert das erste belastbare Signal für eine Atmosphäre in der lebensfreundlichen Zone seines Sterns. Der Nachweis gelang nicht mit einem Weltraumteleskop, sondern mit einem Spektrografen auf einem Berg in Chile. Ein Modell hatte den Befund vorhergesagt, die Messung bestätigte ihn statistisch eindeutig. Beim Schwesterplaneten im selben System fand sich dagegen nichts Vergleichbares.
Planeten in fremden Sonnensystemen lassen sich nur schwer beobachten, weil sie nicht selbst leuchten und vom Licht ihres deutlich größeren Sterns überstrahlt werden. Dennoch hat die Astronomie mit verschiedenen Methoden inzwischen 6.319 Exoplaneten bestätigt und bei vielen die Größe, die Masse oder die Umlaufzeit ermittelt. Zieht ein Planet vor seinem Stern vorbei, durchquert ein Teil des Sternenlichts seine Gashülle, wobei die enthaltenen Gase bestimmte Wellenlängen abschwächen. Aus dieser feinen Veränderung der Farbzusammensetzung lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Atmosphäre ziehen. Das Verfahren funktioniert bei dichten Gashüllen am besten, während gerade die dünnen Atmosphären das größere wissenschaftliche Interesse wecken, weil sie erdähnlichen Verhältnissen näherkommen. Wie schwer solche Messungen sind, zeigt der Rückblick auf frühere Meilensteine wie den ersten Atmosphärennachweis bei einem Gesteinsplaneten, der einer glühend heißen Welt weit außerhalb jeder lebensfreundlichen Bahn galt.
Als habitable Zone bezeichnet die Astronomie jenen Abstandsbereich um einen Stern, in dem der Druck und die Temperatur flüssiges Wasser auf einer Planetenoberfläche erlauben. Bei einem kühlen roten Zwergstern liegt dieser Bereich sehr nah am Stern, weil dessen Leuchtkraft nur einen Bruchteil der solaren erreicht. Genau dort kreisen die vielversprechendsten Kandidaten der Exoplanetenforschung, denn ein fester Untergrund und moderate Temperaturen gelten als Grundvoraussetzung für Leben nach irdischem Muster. Eine dritte Bedingung blieb bislang unerfüllt, denn ohne eine Atmosphäre gäbe es weder Druckausgleich noch Wärmetransport, und flüssiges Wasser könnte an der Oberfläche nicht bestehen. Bei sämtlichen bekannten felsigen Planeten in habitabler Zone scheiterte der Nachweis einer Gashülle bisher, was die Frage aufwarf, ob die intensive Strahlung roter Zwergsterne solche Atmosphären grundsätzlich fortbläst. Ein Team des Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian um Collin Cherubim hat diese Lücke nun geschlossen.
Der Exoplanet LHS 1140 b wurde bereits 2017 im Sternbild Walfisch entdeckt und zählt mit etwa 5,6 Erdmassen und dem 1,73-fachen Erdradius zu den Supererden. Sein Zentralgestirn ist ein Roter Zwerg, den er in nur 24,7 Tagen umrundet und dabei trotz der geringen Distanz in der lebensfreundlichen Bahn bleibt. Ein Modell von Cherubim hatte prognostiziert, dass ausgerechnet dieser Planet eine heliumhaltige Gashülle besitzen müsste. Statt auf Beobachtungszeit am James-Webb-Weltraumteleskop zu setzen, richteten die Forscher den WINERED-Spektrograf am Magellan-Observatorium in Chile auf das System. Die im Fachmagazin Science erschienene Analyse fiel nach Angaben des Mitautors David Charbonneau statistisch völlig eindeutig aus. Der Nachweis stammt damit von einem bodengebundenen Instrument, was die Methodik für künftige Kampagnen erheblich aufwertet.
Gemessen wurde Helium, das aus der äußeren Schicht der Atmosphäre ins All entweicht und dabei eine charakteristische Infrarotsignatur hinterlässt. Ein entweichendes Gas verrät paradoxerweise die Existenz der Hülle, denn nur eine vorhandene Atmosphäre kann Material verlieren. Zugleich schließt der Befund an ältere Beobachtungen an, die einer wasserstoffdominierten Gashülle widersprachen und stattdessen auf ein Gasgemisch mit hoher mittlerer Molekülmasse deuteten. Aufschlussreich ist der direkte Vergleich innerhalb desselben Systems, denn beim ebenfalls beobachteten Schwesterplaneten LHS 1140 c fanden die Forscher keine Atmosphäre. Das spricht dagegen, dass ein Messartefakt oder eine Eigenheit des Sterns das Signal erzeugt. Nach Einschätzung von Robin Wordsworth beantwortet der Fund eine Frage, die die Forschung seit zwei Jahrzehnten begleitet, denn nachdem erdähnliche Planeten als häufig erkannt und in habitabler Zone gefunden wurden, blieb offen, ob einer von ihnen seine Gashülle bewahren konnte.
Was die Atmosphäre tatsächlich enthält, ist mit den vorliegenden Daten noch nicht zu bestimmen. Helium belegt die Existenz der Hülle, sagt aber wenig über deren Hauptbestandteile aus, und ob Wasserdampf vorkommt, müssen weitere Beobachtungen zeigen. Die Forscher gehen davon aus, dass der Planet mehrere Milliarden Jahre alt ist, ähnlich wie die Erde, was bedeuten würde, dass die Gashülle dem Sternenwind über sehr lange Zeiträume standgehalten hat. Genau darin liegt die eigentliche Tragweite, denn rote Zwergsterne sind die häufigsten Sterne der Milchstraße, und ihre Strahlung galt bislang als wahrscheinlicher Atmosphärenkiller. Der Fund reiht sich in eine Serie von Befunden ein, zu denen auch die Suche nach lebensfreundlichen Exoplaneten mit spektralen Methoden zählt. Ein Beleg für Leben ist damit ausdrücklich nicht verbunden, wohl aber ein belastbarer Hinweis darauf, dass die dritte Bedingung erfüllbar ist.
Science, Studie zur Heliumatmosphäre des Exoplaneten LHS 1140 b; doi:10.1126/science.aea9708