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Chemisches Element Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

04.09.2019

Ein Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von AIP-Doktorand Engin Keles entdeckte das chemische Element Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten erstmals mit hochauflösender Spektroskopie und mit überzeugend starkem Signal. Das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona wurde zur Untersuchung der Atmosphäre auf dem jupiterähnlichen Exoplaneten HD189733b verwendet.

Die chemischen Elemente Natrium und Kalium werden schon seit den frühesten theoretischen Vorhersagen vor 20 Jahren vor allem in der Atmosphäre von „heißen Jupitern“ erwartet, einige tausend Kelvin heißen Gasplaneten, die eng um ferne Sterne kreisen.


Künstlerische Darstellung eines heißen Jupiters (rechts) und seines kühlen Heimatsterns.

AIP/Kristin Riebe


Kaliumdetektion in HD189733b. Die Abbildung stellt die Absorption in der Kaliumlinie in der Atmosphäre des Planeten während des Transits dar.

AIP/Engin Keles, Kristin Riebe

Während Natrium schon früh auch in hoch- auflösenden Messungen gefunden werden konnte, war dies bei Kalium nicht der Fall, was der Atmosphärenchemie und -physik einige Rätsel aufgab.

Die Elemente können entdeckt werden, wenn man das Lichtspektrums des Heimatsterns analysiert, während der Planet von der Erde aus gesehen vor ihm vorbeizieht. Die unterschiedlichen Elemente hinterlassen im Lichtspektrum spezifische Absorptionssignale, dunkle Linien, die auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Rückschlüsse ziehen lassen.

Wolken in der Atmosphäre der heißen Jupiter können diese Absorptionssignale jedoch stark abschwächen und damit den Nachweis der entsprechenden Elemente erschweren. Selbst für den bisher am besten untersuchten heißen Jupiter HD189733b gab es bisher nur sehr vage und ungenaue Kenntnisse zur Kaliumabsorption in der Atmosphäre.

Der 64 Lichtjahre entfernte, in etwa jupitergroße Exoplanet, umkreist seinen Heimatstern – einen Roten Riesen – 30 mal näher als die Erde die Sonne und braucht dafür nur 53 Stunden. Erst mit der großen Lichtsammelfläche der zwei 8,4-Meter-Spiegel am LBT und den hohen spektralen Auflösungsmöglichkeiten von PEPSI gelang es nun zum ersten Mal, Kalium in den atmosphärischen Schichten über den Wolken definitiv nachzuweisen.

Mit den neuen Messungen können Forscherinnen und Forscher nun die Absorptionssignale von Kalium und Natrium vergleichen und damit mehr über Kondensations- und Ionisationsprozesse in diesen Exoplanetenatmosphären erfahren.

Die hierfür am LBT angewendete Technik heißt Transmissionsspektroskopie. Dazu ist es erforderlich, dass der Exoplanet vor seinem Heimatstern vorbeizieht. „Wir haben eine Zeitreihe von Lichtspektren während des Vorbeizugs des Planeten vor seinem Stern aufgenommen und die Absorptionstiefe verglichen“, erklärt der Hauptautor der Studie, Engin Keles, AIP-Doktorand in der Gruppe Sternphysik und Exoplaneten.

„Während des Transits entdeckten wir dann die Kaliumsignatur, die vor und nach dem Transit wie erwartet verschwand, was darauf hindeutet, dass die planetarische Atmosphäre die Absorption verursacht.“

Untersuchungen anderer Teams zielten bereits darauf ab, Kalium auf demselben Exoplaneten zu entdecken, jedoch wurde entweder nichts gefunden oder das Gefundene war zu schwach, um statistisch bedeutsam zu sein. Bisher gab es keinen signifikanten Nachweis von Kalium in hochauflösenden Beobachtungen von Exoplaneten.

„Unsere Beobachtungen haben den Durchbruch geschafft“, betont Projekt-Mitverantwortlicher Dr. Matthias Mallonn, dem PEPSI-Projektleiter Prof. Klaus Strassmeier zustimmt: „PEPSI ist für diese Aufgabe gut geeignet, da es auf Grund seiner hohen spektralen Auflösung mehr Photonen pro Pixel aus sehr schmalen Spektrallinien sammeln kann als jede andere Teleskop-Spektrograph-Kombination.“

„Sowohl als Spektrograph als auch als Polarimeter hat PEPSI bereits bedeutende Beiträge zur Sternphysik geleistet“, ergänzt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums. „Dieser starke Nachweis von Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten etabliert PEPSI als erstaunliches Werkzeug zur Charakterisierung von Exoplaneten und als einzigartige Bereicherung für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft.“

Das Team, bestehend aus Kolleginnen und Kollegen aus Dänemark, den Niederlanden, der Schweiz, Italien und den USA, präsentiert seine Ergebnisse nun in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Engin Keles, 0331-7499-538, ekeles@aip.de
Prof. Dr. Klaus G. Strassmeier, 0331-7499-223, kstrassmeier@aip.de

Originalpublikation:

Engin Keles, Matthias Mallonn, Carolina von Essen, Thorsten A. Carroll, Xanthippi Alexoudi, Lorenzo Pino, Ilya Ilyin, Katja Poppenhäger, Daniel Kitzmann, Valerio Nascimbeni, Jake D. Turner, Klaus G. Strassmeier (2019), MNRAS, “The potassium absorption on HD189733b and HD209458b”
https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz123

Weitere Informationen:

https://www.aip.de/de/aktuelles/scientific-highlights/chemisches-element-kalium-...
http://lbtonews.blogspot.com
https://pepsi.aip.de/

Dr. Janine Fohlmeister | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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