TOI-561 b ist eine glühende Lavawelt und wirft nach neuen Messungen rund 75 Prozent des einfallenden Sternenlichts zurück. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat den Exoplaneten über fast vier vollständige Umläufe verfolgt und erstmals auch seine dauerhafte Nachtseite thermisch erfasst. Die Daten sprechen für eine ausgedehnte Atmosphäre, in der helle Silikatwolken einen Teil der Strahlung zurück ins All schicken könnten. Offen bleibt, welche Gase diese extrem heiße Hülle tragen und wie sie sich über Milliarden Jahre halten konnte.
Auf TOI-561 b treffen zwei Extreme unmittelbar aufeinander: Unter einer Atmosphäre liegt ein Magmaozean, während der Planet seinen Stern so eng umkreist, dass ein Jahr dort nur 10,6 Stunden dauert. Weil die Rotation vermutlich an die Umlaufbewegung gebunden ist, blickt dieselbe Seite ständig in das Licht des Sterns, die andere bleibt im Dunkeln. Genau diese Trennung machte das System für Lisa Dang von der University of Waterloo und ihre Kollegen interessant, denn sie erlaubt einen ungewöhnlich direkten Energietest an einer fremden Gesteinswelt.
Das Team beobachtete den rund 280 Lichtjahre entfernten Planeten insgesamt 37 Stunden lang mit dem Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec des James-Webb-Weltraumteleskops. Aus den feinen Helligkeitsänderungen während des Umlaufs entstand eine Phasenkurve, die verrät, wie stark Tag- und Nachtseite im Infraroten leuchten. Die Auswertung der University of Waterloo liefert damit mehr als einen einzelnen Temperaturwert: Sie zeigt, wohin die Energie des Sterns auf dem Planeten tatsächlich gelangt.
Frühere Beobachtungen hatten bereits ergeben, dass die beleuchtete Seite des Planeten kühler ist, als eine dunkle nackte Gesteinsoberfläche in dieser Entfernung vom Stern sein sollte. Die naheliegenden Möglichkeiten waren klar voneinander unterscheidbar: Entweder transportiert eine Atmosphäre viel Wärme auf die abgewandte Hemisphäre, oder ein erheblicher Anteil des Sternenlichts wird schon vor der Aufnahme durch die Oberfläche zurückgeworfen. Die neue Messreihe konnte erstmals prüfen, ob sich die scheinbar fehlende Energie auf der Nachtseite wiederfindet.
Dort registrierte Webb zwar Wärme, aber nicht genug, um den Unterschied vollständig durch atmosphärischen Transport zu erklären. Damit blieb als wesentlicher Bestandteil der Energiebilanz eine starke Reflexion übrig. Für einen Lava-Planeten ist das auffällig, weil geschmolzenes und erstarrtes dunkles Gestein allein nur wenig Licht zurückwerfen würde. Die Messung passt daher zu einer hellen Schicht oberhalb der Oberfläche, die Sternenlicht ablenkt, bevor es den Magmaozean vollständig aufheizt.
Eine Atmosphäre auf einem derart stark bestrahlten Gesteinsplaneten ist bereits für sich ungewöhnlich. Die Website berichtete zuvor über die ersten Hinweise auf die dichte Gashülle einer glühenden Lavawelt; die neue Untersuchung geht nun einen Schritt weiter und bestimmt ihre Wirkung auf die planetare Energiebilanz. Statt nur die beleuchtete Hemisphäre zu betrachten, verfolgt sie den Temperaturverlauf während eines nahezu vollständigen Blicks rund um die Welt.
Um die hohe Helligkeit zu erklären, verglichen die Astronomen die Messdaten mit Klimamodellen für eine Atmosphäre über geschmolzenem Gestein. Besonders gut passen Szenarien, in denen auf der heißen Seite mineralische Partikel kondensieren und Wolken bilden. Als mögliche Bestandteile nennen die Autoren Siliziumdioxid und Magnesiumsilikat, also Stoffe aus derselben Mineralfamilie, zu der auf der Erde Quarz und viele häufige Gesteine gehören.
Solche Silikatwolken wären keine weichen Wasserwolken wie am irdischen Himmel. In der extremen Hitze können Gesteinsbestandteile verdampfen, in höhere und kühlere Atmosphärenschichten gelangen und dort wieder zu winzigen festen oder flüssigen Partikeln kondensieren. Die Wolkendecke würde dadurch wie ein planetarer Sonnenschutz wirken: Ein Teil des einfallenden Lichts erreicht die tieferen Atmosphärenschichten und die Oberfläche gar nicht erst, zugleich kann die bewegte Gashülle Wärme zwischen den Hemisphären verteilen.
Mineralische Wolken sind bei Exoplaneten inzwischen keine rein theoretische Idee. Bei anderen heißen Welten wurden bereits Atmosphären untersucht, in denen Gesteinsbestandteile eine wichtige Rolle spielen; besonders anschaulich ist der nachgewiesene Kreislauf aus Silikatpartikeln in der Atmosphäre von WASP-107b. Diese Supererde ist jedoch eine wesentlich stärker aufgeheizte Gesteinswelt, sodass die mögliche Wolkenbildung direkt mit einem globalen Ozean aus geschmolzenem Material gekoppelt sein könnte.
Bei dieser Hitze bleibt ein großer Teil der Oberfläche flüssig, und der Kontakt zwischen Magma und Atmosphäre wird zu einem chemischen Kreislauf. Gase können aus der Schmelze entweichen, in der Atmosphäre reagieren und später erneut vom Magma aufgenommen werden. Genau dieser Austausch bietet eine mögliche Erklärung dafür, warum die Gashülle länger existiert als einfache Modelle für stark bestrahlte Supererden erwarten lassen.
Anjali Piette von der University of Birmingham nennt mehrere denkbare Wege, wie der Planet seine Atmosphäre behalten haben könnte. Der Planet könnte mit einem besonders großen Vorrat flüchtiger Stoffe entstanden sein, oder der geschmolzene Untergrund könnte die verlorenen Gase fortlaufend ersetzen. Eine weitere Möglichkeit ist eine Entwicklungsgeschichte, in der der Planet erst später auf seine heutige enge Bahn wanderte und dadurch der besonders aggressiven Strahlung seines jungen Sterns zunächst entging.
Welche Variante zutrifft, entscheidet die aktuelle Phasenkurve noch nicht. Sie misst die räumliche Verteilung von Wärme und Reflexion, liefert aber keine eindeutige chemische Inventarliste der Atmosphäre. Gerade deshalb ist die Kombination aus einem sichtbaren Energieeffekt und einer noch offenen Stofffrage interessant: Der Planet verrät bereits, dass seine Hülle physikalisch wirksam ist, während ihre genaue Zusammensetzung verborgen bleibt.
Die Lavawelt gehört damit zur Klasse der Supererden und ist groß genug, um eine komplexe innere Entwicklung zu besitzen, aber weit kleiner als Gasriesen. Sein Mutterstern zählt zur alten Population der galaktischen dicken Scheibe. Damit verbindet das System zwei Eigenschaften, die selten gemeinsam so gut zugänglich sind: eine sehr alte planetare Umgebung und einen Gesteinsplaneten, dessen Oberfläche und Atmosphäre heute unter extremer Bestrahlung miteinander wechselwirken.
Für die Exoplanetenforschung ist diese Kombination wichtig, weil viele Modelle für ultrakurze Umlaufbahnen eine nahezu vollständig entblößte Gesteinswelt erwarten. Intensive Röntgen- und Ultraviolettstrahlung kann leichte Gase beschleunigen und in den Weltraum treiben. Eine massive, ständig erneuerte Atmosphäre oder ein großer ursprünglicher Vorrat schwerer Moleküle verändert diese Rechnung jedoch. Das System liefert damit einen realen Prüfstand für die Frage, wann ein heißer Felsplanet seine Hülle verliert und wann er sie überraschend lange bewahrt.
Auch andere heiße Gesteinsplaneten zeigen, dass einfache Kategorien schnell an Grenzen kommen. Beim Exoplaneten 55 Cancri e wurde ebenfalls eine Atmosphäre um eine extrem heiße Gesteinswelt nachgewiesen. Solche Vergleiche helfen zu klären, ob diese Lavawelt ein exotischer Sonderfall ist oder ob dichte Hüllen über Lavaoberflächen bei sehr heißen Supererden häufiger bestehen können als bisher angenommen.
Die nächste offene Frage betrifft die Gase selbst. Eine Möglichkeit ist eine dichte Hülle mit viel Kohlendioxid, die eher an eine extrem aufgeheizte Venus erinnern würde. Alternativ könnte Schwefeldioxid eine große Rolle spielen, falls der Magmaozean fortlaufend vulkanische Gase freisetzt. Beide Szenarien können eine kräftige Atmosphäre erzeugen, führen aber zu unterschiedlichen Spektren und zu anderen Vorstellungen darüber, wie der Planet über lange Zeit Materie zwischen Innerem und Himmel austauscht.
Das Team will deshalb Beobachtungen bei längeren Infrarotwellenlängen auswerten beziehungsweise ergänzen. Dort hinterlassen wichtige Moleküle charakteristischere Absorptionsmerkmale, während zugleich die Wärmestrahlung der beiden Hemisphären genauer getrennt werden kann. Zusätzlich steckt in demselben Webb-Datensatz ein Transitspektrum aus dem Moment, in dem der Planet vor seinem Stern vorbeizog; dessen gesonderte Analyse soll Informationen über Dicke und Zusammensetzung der Gashülle liefern.
Gerade diese Messung entscheidet, ob die modellierten Mineralwolken tatsächlich in der erwarteten Form vorhanden sind und welche Gase sie umgeben. Bis dahin bleibt ihr auffälliger Glanz ein indirekter, aber messbarer Hinweis auf eine Atmosphäre, die sich unter Bedingungen behauptet, bei denen Gestein selbst zum Bestandteil des Wetters werden kann.
University of Waterloo, Clouds on a lava planet challenge what astronomers expected
The Astronomical Journal, A Highly Reflective Atmosphere on the Lava World TOI-561 b Revealed by JWST/NIRSpec Phase Curve; doi:10.3847/1538-3881/ae9763
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