Das James-Webb-Weltraumteleskop hat die Atmosphäre des rund 57 Lichtjahre von der Erde entfernten Himmelskörpers GJ 504b im Detail analysiert. Dabei hat ein Team von Wissenschaftler:innen um den Astronomen Aneesh Baburaj von der US-amerikanischen Northwestern University tiefliegende Wolken aus Salz nachgewiesen.
Diese Ergebnisse wurden nun in einer Studie in der renommierten Fachzeitschrift The Astronomical Journal publiziert. Die neuen Daten und Auswertungen lösen ein physikalisches Rätsel, das Astronom:innen seit der ersten direkten Beobachtung des Objekts im Jahr 2013 beschäftigt hat.
Ein Grenzgänger zwischen den Welten
GJ 504b leuchtet aufgrund seiner restlichen Wärmestrahlung in einem magentafarbenen Ton, was ihm den populären Beinamen „Pinker Planet“ einbrachte. Mit einer Masse, die jene unseres Jupiter um fast das 25-Fache übersteigt, ist das Objekt allerdings derart massereich, dass seine exakte astrophysikalische Klassifizierung bislang unklar blieb.
Er gilt als sogenannter Begleiter planetarer Masse, der sich theoretisch genau auf der Grenze zwischen einem massiven Gasriesen und einem Braunen Zwerg bewegt. Letztere gelten in der Astronomie als verhinderte Sterne, denen bei ihrer Entstehung schlicht die nötige Masse fehlte, um in ihrem Kern eine dauerhafte Kernfusion zu zünden.
Die Oberflächentemperatur von GJ 504b liegt bei vergleichsweise kühlen 290 Grad Celsius. Diese relative Kühle ist ein Resultat seines fortgeschrittenen Alters, das die Forschung in der aktuellen Studie auf 2,5 bis vier Milliarden Jahre schätzt.
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Der präzise Blick durch das Infrarotauge
Für bisherige erdgebundene Teleskope war der Himmelskörper aufgrund seiner niedrigen Temperatur schlicht zu dunkel. Erst die hochsensiblen Instrumente des James-Webb-Weltraumteleskops ermöglichten nun eine direkte spektroskopische Untersuchung des Objekts.
Die Astronom:innen nutzten den an Bord befindlichen Infrarotspektrografen namens NIRSpec, um das schwache Licht des Begleiters vom extrem hellen Licht seines Muttersterns zu isolieren. Dafür wendeten sie aufwendige Bildverarbeitungsverfahren an, bei denen Aufnahmen aus leicht veränderten Winkeln kombiniert wurden, um die Störsignale des Sterns rechnerisch zu eliminieren.
Anschließend zerlegten sie die verbleibende Strahlung in ihre einzelnen Wellenlängen, um den chemischen Fingerabdruck der Gashülle zu entziffern. Das Team fand dabei klare Signale einer ganzen Reihe von komplexen Molekülen. Neben Kohlendioxid, Wasser, Methan und Ammoniak wies die empfindliche Technik auch Schwefelwasserstoff sowie verschiedene Varianten von Kohlenmonoxid nach.
Computersimulationen bringen Klarheit
Die in den Rohdaten gemessenen Signale der Spektroskopie ergaben in den abstrakten Computermodellen jedoch anfangs keinen physikalischen Sinn. Die Strahlung der tief in der Atmosphäre liegenden Moleküle wirkte messbar gedämpft, was bei einer völlig klaren und wolkenfreien Gashülle nicht der Fall sein dürfte.
Die Lösung dieses logischen Problems lieferte erst die Integration einer spezifischen Wolkenschicht in die Simulation. Während Wolken auf der Erde aus flüssigem Wasser und auf extrem heißen Gasriesen aus geschmolzenem Gestein bestehen, herrschen auf GJ 504b exakt die richtigen Temperaturen für auskristallisierende Salze.
Die abstrakten Computermodelle passten erst fehlerfrei zu den realen Messdaten des Teleskops, als die Forscher:innen Wolken aus kondensiertem Kaliumchlorid und Zinksulfid berücksichtigten. Erst diese dichte Salzschicht erklärte die Blockade der tieferen Strahlung in den Messwerten logisch und schlüssig.
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Konkrete Hinweise auf die Entstehungsgeschichte
Die spektroskopischen Daten lieferten der Wissenschaft zudem elementare Erkenntnisse über die allgemeine chemische Zusammensetzung der Atmosphäre. Das Team stellte fest, dass die Gashülle ungewöhnlich stark mit Elementen angereichert ist, die massereicher und schwerer als Wasserstoff und Helium sind.
Im direkten Vergleich zu seinem Mutterstern weist die Gashülle von GJ 504b eine etwa zweieinhalbfach höhere Konzentration an Kohlenstoff und eine doppelt so hohe Menge an Sauerstoff auf. Solche schweren Elemente deuten nach gängigen Modellen eher auf eine klassische Planetenentstehung hin, bei der das wachsende Objekt kontinuierlich Feststoffe aus einer rotierenden Staubscheibe um den Stern ansammelt.
Ein Brauner Zwerg würde hingegen direkt aus dem Gravitationskollaps einer reinen Gaswolke entstehen und am Ende eine deutlich sternähnlichere chemische Signatur aufweisen. Dennoch weisen die Wissenschaftler:innen kritisch darauf hin, dass die aktuellen Beobachtungen die Theorie des Braunen Zwergs noch nicht mit absoluter Sicherheit ausschließen können, da die grundlegende chemische Datenbasis zu dem alternden Mutterstern ebenfalls noch Unsicherheiten birgt.
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