Dennis L.
Auf fernen Gasriesen entstehen Wetterphänomene, die die Vorstellungskraft klassischer Meteorologie sprengen. Ein besonders extremes Beispiel ist der warme Neptun WASP-107b, auf dem sich hoch oben in der Atmosphäre Silikatsandwolken bilden und wieder zerfallen. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat den Exoplanet im infraroten Licht während mehrerer Transits beobachtet und so die Signaturen einzelner Moleküle und Aerosole freigelegt. Aus den Spektren lassen sich Temperaturprofile, Teilchengrößen und chemische Prozesse ableiten, ohne den Planeten direkt zu sehen. Die Messungen deuten auf einen geschlossenen Kreislauf hin, in dem Sandkörner verdampfen, kondensieren und schließlich als Regen in tiefere Atmosphärenschichten zurückfallen.
Die Suche nach Planeten außerhalb des Sonnensystems hat in den vergangenen Jahrzehnten eine überraschend vielfältige Klasse von Welten zutage gefördert. Ein Exoplanet kann als heißer Jupiter dicht an seinem Stern kreisen, als gefrorener Gasriese weit außen im System liegen oder als Gesteinsplanet mit potenziell flüssigem Wasser auftreten. Sobald ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, lässt sich mithilfe der Transmissionsspektroskopie untersuchen, welche Gase und Aerosolteilchen sein Licht filtern. Dabei sucht die Atmosphärenchemie in den Spektren nach den charakteristischen Fingerabdrücken von Molekülen wie Wasser, Kohlendioxid oder Methan und nach breiteren Signaturen von Wolken. Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert hierfür besonders empfindliche Messungen im Infrarotbereich, in dem viele Schwingungs- und Rotationslinien der relevanten Verbindungen liegen. So eröffnen sich Einblicke in Temperaturverteilungen, Druckschichten und chemische Reaktionswege, die auf der Erde nur mit komplexen Klimamodellen simuliert werden könnten. Parallel dazu werden immer mehr Daten zu sehr unterschiedlichen Exoplaneten gesammelt, die ein statistisches Bild planetarer Atmosphären im Universum erlauben.
Innerhalb dieser Vielfalt sticht der warme Neptun WASP-107b als besonders ungewöhnlicher Exoplanet hervor. Er umkreist einen vergleichsweise kühlen K-Stern im Sternbild Jungfrau in rund 200 Lichtjahren Entfernung und besitzt etwa eine neptunähnliche Masse bei nahezu jupitergroßem Radius, was ihn extrem fluffig macht und die Dichte stark reduziert. Die aufgeblähte Hülle ermöglicht es, beim Transit außergewöhnlich tief in die Atmosphäre zu blicken, weil sie einen großen Anteil des Sternenlichts filtert. Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop zeigen dort eine Kombination aus Wasserdampf, Schwefeldioxid und Silikatsandwolken, deren Verteilung nur durch einen sehr dynamischen Wetterkreislauf erklärbar ist. Populäre Beschreibungen sprechen aufgrund der geringen Dichte von einem Zuckerwatte-Planet, auf dem Tropfen aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Gestein in Form von Sandregen auf tiefere Schichten niedergehen. Trotz der exotischen Bedingungen gilt die Welt als anschauliches Labor, um zu verstehen, wie Energie und Materie in den Hüllen gasreicher Planeten transportiert werden.
WASP-107b bewegt sich auf einer engen Bahn mit einer Umlaufzeit von nur wenigen Tagen um seinen Stern und erhält dadurch eine starke Einstrahlung im sichtbaren und infraroten Bereich. Klimamodelle und Spektralanalysen deuten darauf hin, dass die äußeren Atmosphärenschichten etwa 740 Kelvin erreichen, während tiefer gelegene Regionen auf bis zu knapp 1000 Grad Celsius aufgeheizt sein können, sodass Silikate nicht nur schmelzen, sondern zum Teil verdampfen. Unter diesen Bedingungen bilden sich Silikatsandwolken aus winzigen mineralischen Partikeln, die aus dem Gas auskondensieren und sich zu dichten Aerosollagen zusammentun. Der beobachtete Sandregen entsteht, wenn diese Körner in kühlere Bereiche absinken, teilweise verklumpen und durch die Schwerkraft nach unten gezogen werden. Saharastaub in der irdischen Troposphäre liefert nur eine entfernte Analogie, denn auf WASP-107b bestehen die Körner überwiegend aus Silikatmineralen wie Forsterit und Pyroxen, die sich in einer dichten, wasserstoffreichen Hülle bewegen. Die Kombination aus starker Einstrahlung, schneller Rotation und geringer Oberflächengravitation erzeugt zusätzliche Winde, die Sand und Gas horizontal um den Planeten verteilen und so einen globalen Wetterkreislauf schließen.
Der Nachweis dieser exotischen Wolken und Gase beruht auf einer hochauflösenden Transmissionsspektroskopie mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord von JWST. Während WASP-107b vor seinem Stern vorbeizog, registrierte das Instrument das gesamte Licht, das durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert wurde, und zerlegte es in viele schmale Wellenlängenbänder. Die zugrundeliegende Studie in der Fachzeitschrift Nature wertet Spektraldaten im Bereich von etwa 4,6 bis 11,8 Mikrometern aus und rekonstruiert daraus die Häufigkeit einzelner Moleküle sowie die vertikale Verteilung der Aerosole. Bestimmte Absorptionsbänder lassen sich eindeutig Wasserdampf zuordnen, andere Bänder im mittleren Infrarotbereich markieren Schwefeldioxid, das in dieser Temperaturklasse bisher nicht erwartet wurde. Gleichzeitig zeigen breite, strukturierte Absorptionsmerkmale, dass hoch oben Silikatsandwolken die Signale der Spurengase teilweise überlagern. Eine ausführliche Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie beschreibt, wie aus der Stärke dieser Merkmale auf Partikelgrößen, Wolkenhöhen und die Effizienz des vertikalen Transports geschlossen wird. Die Ergebnisse machen deutlich, dass auf WASP-107b komplexe Photochemie, starke Turbulenz und ein ungewöhnlich tiefer Einblick in die Atmosphäre zusammenkommen.
Der beobachtete Wettermechanismus lässt sich als analoger Kreislauf zum irdischen Wasserkreislauf verstehen, nur dass an die Stelle der Wassertropfen mineralische Silikattröpfchen treten. In den heißen tieferen Atmosphärenschichten verdampfen silikatische Gesteinsbestandteile und bilden ein Gasgemisch, das durch großräumige Konvektion nach oben transportiert wird. Dort kühlt es soweit ab, dass sich wieder feste oder flüssige Partikel auskristallisieren und neue Silikatsandwolken bilden, die die Strahlung des Sterns absorbieren und streuen. Sobald diese Körner eine kritische Größe überschreiten, setzt erneut Sandregen ein und bringt Material in dichtere, heißere Schichten zurück, in denen die Körner wieder verdampfen. Modelle zeigen, dass dieser Kreislauf stabil sein kann, solange die Energiezufuhr durch den Stern ausreichend hoch bleibt und die vertikale Durchmischung effizient wirkt. In dieser Umgebung spielen Reaktionen von Schwefeldioxid mit anderen Spurengasen eine wichtige Rolle, weil sie zusätzliche Strahlungsquellen und Kühlkanäle eröffnen und damit die Atmosphärenchemie beeinflussen. Das Zusammenspiel aus Silikatpartikeln, Schwefelverbindungen und Wasserdampf erzeugt somit ein wetterbestimmendes Netzwerk, das ohne festes Oberflächenreservoir auskommt.
Die Beobachtungen von WASP-107b liefern weit mehr als nur eine spektakuläre Momentaufnahme eines exotischen Exoplanet. Die detaillierten Spektren zwingen Modelle der Atmosphärenchemie dazu, Photochemie, vertikale Durchmischung und exotische Kondensationsprozesse in einem bislang kaum untersuchten Temperaturbereich gemeinsam zu erklären. Die Naturarbeit zeigt, dass Schwefeldioxid mit hoher Signifikanz nachweisbar ist, während Methan weitgehend fehlt, obwohl die Temperaturen dies zunächst nicht vermuten ließen. Dieser Befund deutet auf einen warmen Innenbereich hin, der zusätzliche Energie in die Atmosphäre einträgt und chemische Gleichgewichte verschiebt. Gleichzeitig hilft der Sandregen dabei, Strahlung zu absorbieren und wieder abzugeben, was die Temperaturprofile formt. Erfahrungen aus der Analyse anderer Welten, darunter potenziell superhabitable superhabitable Exoplaneten oder heiße Ozeanwelten wie TOI-270 d, für die ebenfalls JWST-Daten vorliegen, helfen dabei, Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Klimaregime herauszuarbeiten. Obwohl WASP-107b selbst aufgrund der hohen Temperaturen und des Fehlens einer festen Oberfläche als lebensfeindlich gilt, schärfen seine Daten das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse, die auch in gemäßigteren Atmosphären stattfinden können.
Nature, SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune; doi:10.1038/s41586-023-06849-0
