Die Lavawelt HD 3167 b umkreist ihren Stern in nur 23 Stunden und besitzt dennoch eine Atmosphäre. Das zeigen Messungen mit dem Weltraumteleskop James Webb. Die Tagseite des Planeten ist deutlich kühler, als es für nacktes Gestein zu erwarten wäre, was auf eine Gashülle hinweist, die Licht reflektiert oder Wärme verteilt. HD 3167 b ist damit die am schwächsten bestrahlte Lavawelt, für die es Hinweise auf eine Atmosphäre gibt.
Auf der Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems interessieren sich Astronomen vor allem für Gesteinsplaneten mit einer Atmosphäre. Ohne Gashülle kann auf der Oberfläche eines Planeten kein flüssiges Wasser existieren. Von den mehr als 6.300 bislang bekannten Exoplaneten sind die meisten jedoch keine Gesteinsplaneten, und nur bei einer Handvoll der felsigen Welten gibt es Anzeichen für eine Atmosphäre. Besonders gut lassen sich sogenannte Lavawelten untersuchen: Gesteinsplaneten, die ihren Stern so eng umkreisen, dass die ihm zugewandte Seite vermutlich aus geschmolzenem Gestein besteht. Ihre starke Wärmestrahlung macht sie für Teleskope vergleichsweise hell. Ein Team um den Doktoranden Brandon Park Coy von der University of Chicago hat nun eine solche Welt im Sternbild Fische untersucht, rund 154 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Ergebnisse erschienen im Juli im Fachjournal The Astrophysical Journal Letters, die Universität stellte sie Anfang September vor.
HD 3167 b ist eine sogenannte Supererde mit dem 1,6-fachen Radius der Erde. Sie umkreist einen orangefarbenen Stern vom Typ K in nur 0,96 Tagen, also rund 23 Stunden. Die theoretische Gleichgewichtstemperatur des Planeten liegt bei 1.786 Kelvin, umgerechnet etwa 1.513 Grad Celsius. Das Gestein an der Oberfläche dürfte reich an Silikaten sein und ähnliche Minerale enthalten wie der Erdmantel, wie Coy in einem Interview der University of Chicago erläutert. Eine Atmosphäre hatten die Forscher bei einem solchen Planeten nicht unbedingt erwartet. Je enger ein Gesteinsplanet seinen Stern umkreist, desto schwerer sollte es ihm fallen, eine Gashülle zu halten, weil ihn der Sternwind und energiereiche Strahlung ständig bombardieren. Dass HD 3167 b trotzdem eine Atmosphäre zu haben scheint, überraschte das Team.
Für ihre Messungen nutzten die Forscher nicht den Durchgang des Planeten vor seinem Stern, sondern den umgekehrten Fall: den Moment, in dem der Planet hinter dem Stern verschwindet. Kurz davor sieht das Teleskop das Licht von Stern und heißer Planetentagseite zusammen, während der Bedeckung nur noch das des Sterns. Aus dem winzigen Unterschied lässt sich die Temperatur der Tagseite berechnen. Mit dem Infrarotinstrument MIRI des James-Webb-Teleskops maßen die Forscher einen Helligkeitsabfall von 38 Millionstel, mit einer Unsicherheit von 11 Millionstel. Das ist mit hoher statistischer Sicherheit weniger, als ein dunkler, nackter Gesteinsbrocken bei maximaler Aufheizung liefern würde. Die Tagseite von HD 3167 b ist also spürbar kühler, als sie ohne Atmosphäre sein müsste. Die Forscher erklären das am besten mit einer Gashülle, die einfallendes Sternlicht reflektiert oder Wärme effizient auf die Nachtseite transportiert.
Die Messung schließt eine Lücke in der Erforschung von Lavawelten. Bisherige Beobachtungen hatten ein auffälliges Muster ergeben: Die heißesten Lavawelten zeigten kühlere Tagseiten als nacktes Gestein und damit Hinweise auf eine Atmosphäre, die kühleren dagegen nicht. Wo genau diese Grenze verläuft, war unklar. HD 3167 b liegt in diesem Übergangsbereich und ist nun die am schwächsten bestrahlte Supererde mit sehr kurzer Umlaufzeit, für die es Belege für eine Atmosphäre gibt, wie die in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Studie festhält. Theoretisch könnte eine besonders stark spiegelnde Lavaoberfläche die Tagseite ebenfalls kühlen. Die bisherigen Daten sprechen jedoch dafür, dass die Oberflächen von Lavawelten eher dunkel sind, was mit den Messungen nicht vereinbar wäre. Auch die leicht abweichende Umlaufbahn des Planeten passt nach Angaben der Autoren zu einer Atmosphäre.
Die Zusammensetzung der Gashülle ist noch offen. Das gemessene Spektrum der Tagseite ist nicht präzise genug, um einzelne Gase zu identifizieren. Früher gingen Forscher davon aus, dass Atmosphären auf solchen extrem heißen Planeten vor allem aus verdampftem Gestein bestehen. Inzwischen mehren sich jedoch Hinweise darauf, dass manche Lavawelten auch schwerere Gase wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Wasserdampf festhalten können. Welche Variante bei HD 3167 b zutrifft, soll eine weitere Beobachtung mit dem Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec des Webb-Teleskops klären. Wie empfindlich Atmosphären auf die Nähe zu einem Stern reagieren, zeigt auch unser Nachbarplanet: Dort reißen riesige Plasmawellen die Marsatmosphäre schubweise ins All. Dass eine Lavawelt ihre Gashülle trotz extremer Bedingungen behält, macht HD 3167 b zu einem wichtigen Testfall für Modelle der Atmosphärenentwicklung.
Leben ist auf HD 3167 b ausgeschlossen, dafür ist der Planet viel zu heiß. Für die Forschung ist er dennoch wertvoll, weil er Einblicke in Prozesse erlaubt, die auch für andere Gesteinsplaneten wichtig sind. Kurz nach ihrer Entstehung waren die Erde und die anderen Gesteinsplaneten des Sonnensystems selbst extrem heiß, weil unzählige Kollisionen mit kleineren Himmelskörpern enorme Energie freisetzten. Teile ihrer Oberflächen dürften damals ebenfalls aus Magma bestanden haben, das mit einer frühen Atmosphäre Gase austauschte. Lavawelten wie HD 3167 b bieten die Möglichkeit, solche Bedingungen heute in einem anderen Sternsystem zu beobachten. Wie Astronomen immer neue Methoden entwickeln, um ferne Welten zu erfassen, zeigte kürzlich auch ein Exoplanet, von dem erstmals Radiosignale empfangen wurden. Die Lavawelt im Sternbild Fische könnte helfen zu verstehen, wie die Erde ihre erste Lufthülle erhielt.
The Astrophysical Journal Letters, Evidence for an Atmosphere on the Ultra-short-period Super-Earth HD 3167 b; doi:10.3847/2041-8213/ae7f23