Mehr als 400 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt befindet sich der Exoplanet WASP 18b: Ein Gasriese, ähnlich wie Jupiter. Diese sind zu unwirtlich für Leben, für Astronomen aber interessant, weil sie dazu beitragen, zu verstehen, wie sich das Universum nach dem Urknall entwickelt hat. Wissenschafter haben nun eine Temperaturkarte dieses Exoplaneten in 3D erstellt - unter ihnen Mitarbeiter des Grazer Instituts für Weltraumforschung (IWF).

"WASP 18b umkreist seinen Stern so nah, dass er eine Umlaufbahn in weniger als einem Tag vollendet. Die intensive Strahlung des Sterns erhitzt seine Atmosphäre auf Temperaturen von rund 3.000 Grad Celsius", schilderte Patricio Cubillos vom Grazer IWF der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) am Dienstag. Wie die ÖAW am Dienstag in einer Aussendung mitteilte, hat das IWF in einem internationalen Wissenschafterteam die Analyse und Interpretation der Atmosphäre übernommen.

Temperaturen von rund 3.000 Grad Celsius

Er sei "eine extreme Welt, anders als jeder Planet in unserem Sonnensystem", so Ko-Autor Cubillos. Mithilfe von Beobachtungen durch das James Webb Space Telescope (JWST) konnten die Weltraumexperten bei WASP 18b eine Atmosphäre mit unterschiedlichen Temperaturzonen enthüllen- eine davon ist so heiß, dass sie Wasserdampf zersetzt. Die Ergebnisse wurden vom Team in der Fachzeitschrift "Nature Astronomy" vorgelegt.

Einen Exoplaneten zu entdecken ist schon nicht ganz einfach, denn sie strahlen in der Regel weniger als ein Prozent der Helligkeit ihres Muttersterns ab. Wenn der Planet jedoch hinter seinem Mutterstern vorbeizieht, können Astronomen einen winzigen Helligkeitsabfall messen, was auch als Okkultation oder Eklipse bezeichnet wird.

Charakterisierung mit 3D-Eklipsen-Kartierung

Die von dem Wissenschafterteam nun angewandte 3D-Eklipsen-Kartierung (auch spektroskopische Eklipsen-Kartierung) kann winzigste Bruchteile dieser Gesamtstrahlung erfassen und ordnet sie bestimmten Regionen des Planeten zu, wenn diese verschwinden und wieder hinter dem Stern auftauchen.

Die Absorption durch Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten sorgt für die dritte Dimension: Das beobachtete Licht wird dann in verschiedene Wellenlängen oder Farben aufgespalten. Bei Wellenlängen, die von Wasser am stärksten absorbiert werden, können die oberen Schichten der Atmosphäre - die Stratosphäre - untersucht werden, während Wellenlängen, die von Wasser weniger absorbiert werden, das Licht in tiefere Schichten durchlassen. Durch die Zusammenführung dieser Messungen können Forschende eine dreidimensionale Karte der Planetenatmosphäre erstellen: in Breite, Länge und Höhe.

Atmosphäre in Breite, Länge und Höhe dargestellt

Nach der Kartierungsmethode gibt es auf der sichtbaren "Tagseite" von WASP 18b unterschiedliche Regionen, die sich in ihrer Temperatur und möglicherweise auch der chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Er weist einen kreisförmigen "Hotspot" auf, an dem das Sternenlicht am direktesten auftrifft und wo die Winde offenbar zu schwach sind, um die Wärme umzuverteilen. Der "Hotspot" wird von einem kälteren Ring umgeben: "In der Hotspot-Region haben wir festgestellt, dass die Temperatur mit der Höhe zunimmt, was auf eine heiße Stratosphäre hindeutet", sagt Cubillos. "In der Ringregion haben wir jedoch eine völlig andere thermische Struktur vorgefunden. Hier kühlt die Temperatur mit der Höhe ab und ist um 1.000 Grad Celsius kälter als im Hotspot", wie Cubillos erklärte.

Die Messungen zeigten auch einen niedrigeren Wasserdampfgehalt im "Hotspot" als in den restlichen Regionen. "Wir glauben, dass dies ein Beweis dafür ist, dass der Planet in dieser Region so heiß ist, dass er beginnt, das Wasser aufzuspalten", interpretierte Erstautor Ryan Challener vom Institut für Astronomie an der Cornell University. Die Wissenschafter hatten das zuvor bereits in der Theorie vorhergesagt, und fanden die Theorie nun bestätigt. Unter den mehr als 6.000 bisher bestätigten Exoplaneten gibt es Hunderte von heißen Jupitern wie WASP 18b, die mit dieser Technik kartiert werden können. "Wir sind dabei, Exoplaneten in 3D als Population zu verstehen, was sehr spannend ist", schließt Challener.

Entdeckt wurde WASP 18b bereits 2019. Neben erdgebundenen Observatorien haben bereits die Weltraumteleskope Hubble, Chandra, TESS und Spitzer den ultraheißen Gasriesen beobachtet. Seit auch das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) einen Blick auf ihn wirft, entdecken die Forschenden immer wieder Neues. Der faltbare Spiegel kann geringste Mengen an infrarotem Licht sammeln und an höchstpräzise Messinstrumente weiterleiten. Dem Grazer IWF nützen die Daten des JWST zur Charakterisierung der atmosphärischen Eigenschaften extrasolarer Planeten. Die physikalische Interpretation dieser Beobachtungsdaten stärkt die Weiterentwicklung komplexer Computermodelle.

Service: R. Challener, M. W. Mansfield, P. E. Cubillos et al.: Horizontal and vertical exoplanet thermal structure from a JWST spectroscopic eclipse map, Nature Astronomy, doi.org/10.1038/s41550-025-02666-9, 2025