Am Rand des heißen Jupiters WASP-17 b liegen zwischen Morgen- und Abendseite rund 650 Grad Temperaturunterschied. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat die Atmosphäre dabei nicht nur als gemittelten Ring untersucht, sondern in einzelne Bereiche zerlegt. Wasser und Kohlendioxid bleiben über den gemessenen Rand hinweg erstaunlich ähnlich verteilt, während die Temperatur stark wechselt. Damit wird erstmals sichtbar, wie unterschiedlich ein und dieselbe Exoplanetenatmosphäre je nach Blickrichtung sein kann.
Für Lili Alderson von der Cornell University und ihre Kollegen bestand die entscheidende Aufgabe darin, aus winzigen Helligkeitsänderungen während eines Transits räumliche Information herauszuholen. In der Studie in Nature Astronomy beschreiben sie eine Methode, die den leuchtenden Rand von WASP-17 b wie eine Kette einzelner Abschnitte behandelt. Jeder Abschnitt liefert ein eigenes Spektrum und damit Hinweise darauf, welche Temperatur und welche Gase an dieser Stelle der Atmosphäre vorherrschen.
Das ist ein grundlegender Wechsel gegenüber der üblichen Transitmessung. Wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, filtert seine Atmosphäre einen kleinen Teil des Sternlichts, bevor dieses das Teleskop erreicht. Bisher wurde daraus meist ein Mittelwert für den gesamten sichtbaren Atmosphärenrand berechnet. Bei einem stark aufgeheizten Gasriesen kann ein solcher Mittelwert jedoch sehr verschiedene Wetter- und Strömungszonen zusammenschieben, als würden Morgenluft, Abendhitze und Polregionen in derselben Messung zu einer einzigen Temperatur verschmelzen.
Der heiße Jupiter eignet sich für diese Art der Kartierung besonders gut, weil seine Atmosphäre ungewöhnlich weit aufgebläht ist. Der Planet besitzt etwa die halbe Jupitermasse, erreicht aber ungefähr das 1,9-Fache von Jupiters Radius. Seine Gleichgewichtstemperatur liegt bei etwa 1.760 Kelvin, und die große Gashülle blockiert beim Vorübergang genug Sternlicht, damit kleine Unterschiede im Randbereich messbar werden. Die Forscher nutzten dafür die wechselnde Silhouette des Planeten während des Eintritts, der Mitte und des Austritts aus dem Transit.
Technisch bezeichnet das Team seine Methode als „Transmission Strings“. Dabei wird der Planetenrand nicht als perfekter Kreis festgelegt, sondern durch eine mathematische Kurve beschrieben, deren Radius sich mit dem Winkel verändern kann. Aus den Lichtkurven entstehen anschließend separate Transmissionsspektren für verschiedene Positionen. Die Auswertung deckte den Bereich von 0,6 bis 12 Mikrometern ab und verband damit sichtbares, nahes und mittleres Infrarotlicht in einer gemeinsamen räumlichen Analyse.
Die Winkel wurden in mehreren Abstufungen untersucht, unter anderem in Schritten von 20 und 45 Grad. So ließ sich verfolgen, wie sich die scheinbare Höhe der Atmosphäre vom morgendlichen Terminator über die polnahen Bereiche bis zum abendlichen Terminator verändert. Ein Terminator ist die Grenzlinie zwischen Tag und Nacht. Auf einem gebunden rotierenden heißen Jupiter bleibt diese Grenze dauerhaft erhalten, weil dem Stern immer dieselbe Planetenseite zugewandt ist.
Am deutlichsten verändert sich die Temperatur entlang des Atmosphärenrandes. Am westlichen Morgenrand ergaben die Modelle etwa 858 Kelvin, während der östliche Abendrand ungefähr 1.522 Kelvin erreicht. Dieser Unterschied passt zu atmosphärischen Strömungen, die Wärme von der permanent beleuchteten Seite nach Osten transportieren. Frühere Messungen der Tag- und Nachtseite hatten bereits Hinweise auf eine solche Zirkulation geliefert, doch die neue Kartierung verbindet diese Beobachtungen nun direkt mit verschiedenen Positionen entlang des sichtbaren Randes.
Damit erhält der Planet eine Art meteorologische Geografie. Ein Transit liefert nicht länger nur die Aussage, dass die Atmosphäre „heiß“ ist, sondern zeigt, wo sie stärker aufgebläht und wo sie kompakter erscheint. Wärmeres Gas besitzt bei gleichem Druck eine größere Skalenhöhe und erstreckt sich weiter nach außen. Genau diese Höhenunterschiede verändern, wie viel Sternlicht bei bestimmten Wellenlängen abgeschirmt wird, und machen die thermische Struktur indirekt messbar.
Dass heiße Jupiter extreme Wetterunterschiede entwickeln, ist bereits von anderen Welten bekannt. Auf WASP-127 b wurden besonders schnelle atmosphärische Strömungen gemessen. Der Planet liefert nun einen anderen Blick auf dieselbe Grundfrage: Wie verteilt ein gasförmiger Planet die Energie seines Sterns, wenn eine Seite dauerhaft bestrahlt wird und die andere im Schatten bleibt?
Für die neue Karte kombinierte das Team Beobachtungen von NIRISS, NIRSpec und MIRI. Diese Instrumente decken unterschiedliche Wellenlängenbereiche ab und reagieren auf verschiedene Moleküle sowie auf die Temperaturstruktur der Atmosphäre. Beim Transit registrieren sie nicht den Planeten selbst als aufgelöste Scheibe. Stattdessen messen sie extrem präzise, wie viel Sternlicht an jeder Wellenlänge verschwindet, wenn verschiedene Teile des Planetenrandes vor dem Stern stehen.
Die zugrunde liegenden Datensätze enthalten hunderte einzelne Integrationen mit kurzen Messabständen. Für die Auswertung behandelten die Forscher jedes Winkel-Spektrum zunächst so, als stamme es von einem eigenen Planeten. Anschließend verglichen sie die Ergebnisse mit atmosphärischen Modellen, die Wärmeverteilung, Chemie und Wolken berücksichtigen. Dieser Umweg erlaubt es, Unterschiede herauszuarbeiten, die in einem einzigen gemittelten Spektrum kaum sichtbar wären.
Bei Wasser und Kohlendioxid fanden die Modelle keine vergleichbar starke räumliche Veränderung. Beide Moleküle bleiben rund um den untersuchten Rand innerhalb der Messunsicherheiten ähnlich häufig. Das passt zu globalen Zirkulationsmodellen, nach denen kräftige Winde bestimmte chemische Bestandteile schnell genug verteilen können, während sich die Temperatur trotzdem deutlich zwischen den Hemisphären unterscheidet. Die Atmosphäre ist damit thermisch stark gegliedert, ohne dass ihre wichtigsten nachweisbaren Moleküle dieselbe scharfe Grenze zeigen.
Der heiße Jupiter war schon vor dieser Kartierung ein ungewöhnlicher Planet. Frühere Webb-Beobachtungen hatten in seiner Hochatmosphäre Nanokristalle aus Quarz nachgewiesen, ein Material, das auf der Erde vor allem aus Gesteinen bekannt ist. Die NASA beschreibt diese Siliziumdioxid-Partikel als direkt aus dem heißen Gas entstandene Wolkenbestandteile. Sie werden dort nicht von einer festen Oberfläche aufgewirbelt, sondern kondensieren hoch in der Atmosphäre.
Die neue Temperaturkarte gibt solchen Wolken eine räumliche Umgebung. Über den Rand hinweg reichen die abgeleiteten Temperaturen von ungefähr 850 bis 1.500 Kelvin und überdecken damit Bereiche, in denen Modelle unterschiedliche Aerosole erwarten. Die Forscher konnten aus den aktuellen Spektren jedoch keine verlässliche Karte der Wolkenzusammensetzung ableiten. Gerade im langwelligen Bereich reicht die Präzision noch nicht aus, um Unterschiede bei einzelnen Aerosolarten sicher voneinander zu trennen.
Ein vergleichbares Wetterphänomen zeigt, wie fremdartig Wolken auf heißen Gasriesen sein können: Bei WASP-107 b wurde ein Kreislauf aus silikatreichem Sandregen beschrieben. Solche Vergleiche erklären, warum eine räumliche Temperaturkarte mehr ist als ein geometrisches Detail. Ob Mineralpartikel entstehen, verdampfen oder transportiert werden, hängt unmittelbar von den lokalen thermischen Bedingungen ab.
Bislang werden Exoplanetenatmosphären häufig als eindimensionale Säulen modelliert, obwohl reale Planeten Strömungen, Tag-Nacht-Grenzen, Pole und unterschiedliche Wolkenzonen besitzen. Die neue Methode verbindet erstmals mehrere Transitpositionen so, dass diese räumliche Vielfalt aus denselben Spektraldaten herausgelesen werden kann. Das Ergebnis ist noch keine Kameraaufnahme einer fremden Wetterkarte, aber es ist ein Schritt von der gemittelten Atmosphäre zu einer dreidimensionaleren Beschreibung.
Besonders wertvoll ist die Kombination mit anderen Messverfahren. Emissionsbeobachtungen erfassen Wärme von Tag- oder Nachtseite, Eclipse Mapping untersucht Helligkeitsunterschiede während einer Bedeckung, und Transmission Mapping ergänzt nun die Struktur entlang des Randes. Bei 55 Cancri e gelang bereits ein wichtiger Atmosphärennachweis an einer Gesteinswelt; bei großen Gasplaneten erlaubt die stärkere Signatur nun zusätzlich immer feinere räumliche Analysen.
Für den heißen Jupiter stehen weitere Beobachtungen mit MIRI an, die besonders jenseits von fünf Mikrometern präzisere Daten liefern sollen. Damit lässt sich prüfen, ob die Temperaturgrenzen auch mit wechselnden Wolkenarten oder anderen chemischen Spuren verbunden sind. Der nächste Schritt ist somit konkret messbar: Aus der heutigen Temperaturkarte soll eine detailliertere Wetter- und Aerosolkarte desselben Planeten werden.
Nature Astronomy, A spatial map of the atmospheric limb of a hot Jupiter; doi:10.1038/s41550-026-02986-4
NASA Webb Telescope Team, Webb Detects Tiny Quartz Crystals in the Clouds of a Hot Gas Giant
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
