In der Fachzeitschrift Nature Astronomy präsentiert ein internationales Team die erste dreidimensionale Temperaturkarte eines Exoplaneten. Mithilfe von Beobachtungen durch das James Webb Space Telescope (JWST) wurde bei dem "ultraheißen Jupiter" WASP-18 b eine Atmosphäre mit unterschiedlichen Temperaturzonen enthüllt - eine davon ist so heiß, dass sie Wasserdampf zersetzt. Die Analyse und Interpretation der Atmosphäre erfolgten unter der Leitung des Grazer Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

WASP-18 b, etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt, ist ein Gasriese ähnlich wie Jupiter. „Er ist jedoch eine extreme Welt, anders als jeder Planet in unserem Sonnensystem“, sagt Ko-Autor Patricio Cubillos vom IWF Graz. „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 °C.“ WASP-18 b lieferte ein relativ starkes Signal und war damit ein guter Kandidat für das Testen der neuen Kartierungstechnik.

Neue Technik revolutioniert die Charakterisierung von Explaneten

Die aktuelle Studie basiert auf einer Technik namens 3D-Eklipsen-Kartierung oder spektroskopische Eklipsen-Kartierung und baut auf dem 2D-Modell aus dem Jahr 2023 auf, das das Potenzial der Eklipsen-Kartierung für hochsensible Beobachtungen mit JWST demonstrierte.

Die Entdeckung von Exoplaneten ist an sich schon schwierig – sie strahlen in der Regel weniger als 1 % der Helligkeit ihres Muttersterns ab. Bei Planeten mit der passenden Ausrichtung ihrer Umlaufbahn können Astronomen deren Emission messen, indem sie den Helligkeitsabfall beobachten, der auftritt, wenn der Planet hinter seinem Mutterstern vorbeizieht, was auch als Okkultation oder Eklipse bezeichnet wird.

Die 3D Eklipsen-Kartierung Technik geht noch einen Schritt weiter: Sie misst winzige Bruchteile dieser Gesamtstrahlung und ordnet sie bestimmten Regionen des Planeten zu, wenn diese verschwinden und wieder hinter seinem 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.

2D vs. 3D

Die neue Karte bestätigte spektroskopisch unterschiedliche Regionen – die sich in ihrer Temperatur und möglicherweise auch in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden – auf der sichtbaren "Tagseite" von WASP-18 b. Der Planet weist einen kreisförmigen "Hotspot" auf, den das Sternenlicht am direktesten trifft und wo die Winde offenbar nicht stark genug sind, um die Wärme umzuverteilen. Um den Hotspot herum befindet sich ein kälterer "Ring", näher an den äußeren sichtbaren Rändern des Planeten.

"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 1000 °C kälter als im Hotspot."

Die Messungen zeigten auch einen niedrigeren Wasserdampfgehalt im Hotspot als in den restlichen Regionen von WASP-18 b. "Wir glauben, dass dies ein Beweis dafür ist, dass der Planet in dieser Region so heiß ist, dass er beginnt, das Wasser aufzuspalten", erläutert Ryan Challener vom Institut für Astronomie an der Cornell University und Erstautor der Studie. "Das war in der Theorie vorhergesagt worden, aber es ist wirklich aufregend, dies nun anhand realer Beobachtungen zu sehen."

"Für uns ist WASP-18 b schon ein alter Bekannter", betont IWF-Direktorin Christiane Helling. Durch zusätzliche JWST-Beobachtungen von WASP-18 b können andere chemische Verbindungen als Wasser erkannt und die räumliche Auflösung der ersten 3D-Eklipsenkarte noch verbessert werden. "Mit diesem Teleskop und dieser neuen Technik können wir Exoplaneten auf die gleiche Weise untersuchen wie unsere Nachbarn im Sonnensystem", ergänzt Cubillos, "und Details wie den Großen Roten Fleck und die Wolkenbänder des Jupiters beobachten." Unter den mehr als 6.000 bisher bestätigten Exoplaneten gibt es Hunderte von anderen heißen Jupitern, die mit dieser Technik kartiert werden können. "Wir sind dabei, Exoplaneten in 3D als Population zu verstehen, was sehr spannend ist", schließt Challener.

Why space research matters - WASP-18 b

Seit seiner Entdeckung im Jahr 2009 sind Astronom:innen von WASP-18 b fasziniert, weil es in unserem Sonnensystem nichts Vergleichbares gibt. Ein Jahr für WASP-18 b, eine Umlaufbahn um seinen Stern (etwas größer als unsere Sonne), dauert nur 23 Stunden. Neben erdgebundenen Observatorien haben auch 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 Forscher:innen immer wieder Neues.

JWST ist ein hochsensibles Multitalent in einer Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern von der Erde, das mit einer Kühlung um 266 Grad Celsius ermöglicht, dass ein faltbarer, kryogener Leichtgewichtspiegel geringste Mengen an infrarotem Licht sammelt und an höchstpräzise Messinstrumente weiterleitet. Neue Weltraumtechnologien führen zu nachhaltigem Fortschritt auf der Erde, wie bei der NASA für JWST nachzulesen ist. Dem IWF mit seiner Grundlagenforschung ermöglicht das Weltraumteleskop die Charakterisierung der atmosphärischen Eigenschaften extrasolarer Planeten. Die physikalische Interpretation dieser Beobachtungsdaten forciert die Weiterentwicklung von komplexen Computermodellen, die das Wissen aus Disziplinen wie Physik, Mathematik, Meteorologie, Chemie und Materialwissenschaften vereint.

Die Forschung wurde vom Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program von JWST unterstützt.

Publikation

R. Challener 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

Kontakt:
Dr. Patricio Cubillos
T +43 (316) 4120-643
patricio.cubillos@oeaw.ac.at