Wolke ist nicht gleich Wolke

Wolken auf Planeten sind universell und doch ganz unterschiedlich. Auf der Erde gibt es weiße Wasserwolken. Der Gasriese Jupiter in unserem Sonnensystem besitzt viel-farbige Ammoniak-Wolken. Extrasolare Gasriesen mit Temperaturen von mehr als 600 Kelvin besitzen Wolken, die aus Silikaten und Quarz bestehen. Diese theoretische Vorhersage des Wolkenmodells von Forscher:innen des Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) wurde bereits mehrfach mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) bestätigt.

In der neuen Studie schlagen nun die Exoplanetenforscher:innen der ÖAW vor, mit PLATO - der nächsten großen Wissenschaftsmission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) - die Wolken aus einem ganz neuen Blickwinkel zu betrachten. Dabei machen sie sich das extreme Klima dieser exotischen Welten zunutze. "Das IWF-Klimamodell ExoRad sagt voraus, dass die Temperatur auf diesen Exoplaneten durch einen extrem schellen äquatorialen Windjet von mehr als 3600 km/h geformt wird", erläutert ÖAW-Forscherin Ludmila Carone, Erstautorin der Studie. "Solche Geschwindigkeiten werden auf der Erde nur von Düsenjets erreicht."

Kalter Morgen, warmer Abend

Diese extremen Winde beeinflussen natürlich auch die Wolkenverteilung. Die Forscher:innen vermuten, dass die Wolken auf der Morgenseite dicker als auf der Abendseite sein sollten, weil die Temperaturen dort durch die Winde von der Nachtseite abgekühlt werden. Die Abendseite wird dagegen durch Winde von der Tagseite erwärmt. Gerade PLATO sei ganz besonders gut geeignet, um diese Wolken-Unterschiede während des Transits zu messen, d.h, wenn der Planet von uns aus gesehen vor seinem Stern vorbeizieht. Genauer gesagt sollte es Unterschiede zwischen dem Beginn und dem Ende des Transits geben, wobei im ersten Fall der Planet mit dem Morgen-Terminator den Stern bedeckt und im zweiten Fall mit dem Abend-Terminator (siehe gekrümmte Linien in der Abbildung). Eine solche "Transit-Asymmetrie" sollte über die unterschiedliche Dicke der Wolken und sogar die Größe der Wolkenteilchen Aufschluss geben. Für die neue Studie wurden 60 virtuelle Planetenzwillinge erschaffen, um diesen Effekt und seine Messbarkeit mit verschiedenen Missionen, vor allem PLATO, systematisch zu studieren.

PLATO vs. Kepler, JWST und Hubble

Tatsächlich wird schon seit 2015 für sechs Planeten vermutet, dass sich dort Wolken vornehmlich auf der Morgenseite bilden. Mit der Kepler-Mission wurden Asymmetrien im reflektierten Sternenlicht ausgemacht. Dieser Reflexionseffekt ist aber sehr klein und die meisten Kepler-Planeten sind zu weit weg für weitere Untersuchungen, die nähere Aufschlüsse über die Wolken geben könnten. PLATO hingegen konzentriert sich auf Planeten in unserer kosmischen Nachbarschaft. Das Teleskop wird in den ersten 2 Jahren mindestens 27 heiße Gasriesen ultra-genau vermessen und dabei nicht nur die Wolkenreflexion, sondern auch die relativ neue Messtechnik der Transit-Asymmetrie anwenden. Die neue Studie sagt voraus, dass PLATO mit seinem Fokus auf Messungen im optischen Bereich besonders geeignet ist, um besonders kleine Wolkenteilchen in der oberen Atmosphäre zu vermessen, die im infraroten Bereich - und damit für das große James-Webb-Weltraumteleskop - weitestgehend unsichtbar sind. Das heißt, PLATO liefert mit präzisen Asymmetrie-Messungen Einsichten, die mit anderen Großteleskopen, wie zum Beispiel auch Hubble, nicht möglich sind.

Wie entstehen Wolken?

Die Vermessung besonders kleiner Wolkenteilchen in heißen Gasriesen wird dabei helfen, eine fundamentale Frage zu beantworten: Wie können solche Wolken auf solchen exotischen heißen Welten überhaupt entstehen? Denn jede Wolke braucht zunächst feste Teilchen als Kondensationskeime. Ohne solche Keime ist es thermodynamisch unmöglich, solche dichten Wolken zu bilden. Auf der Erde ist es vor allem Staub, der als Kondensationskeim dient. Dieser Effekt war Anfang März eindrucksvoll in der Steiermark zu beobachten, als feiner Saharastaub für eine Dunstschicht und damit verminderte Fernsicht sorgte.

Forschungsschwerpunkt "Heiße Jupiter"

Heiße Jupiter haben aber im Gegensatz zur Erde keine festen Oberflächen. Die dicke Gasschicht auf solchen Planeten wird sogar immer heißer, je tiefer es geht. Die einzige Chance für die Bildung von Wolkenkeimen besteht daher in luftigen Höhen, in der oberen Atmosphäre - also genau dort, wo PLATO Wolken während eines Transits vermessen wird. Wie sich aus Gasen dennoch feste Kondensationskeime bilden können, ist ein sehr aktiver Forschungszweig, der am IWF Graz seit Jahren intensiv betrieben wird. Hier haben die IWF-Forschenden unter anderem Titanium- und Aluminium-Oxid-Cluster unter Verdacht, als Keimzellen von Wolken zu fungieren. Auf jeden Fall werden hier die PLATO-Ergebnisse besonders erhellend sein.

IWF-Direktorin Christiane Helling und ihr Team aus der IWF-Forschungsgruppe Exoplaneten: Wetter und Klima haben dabei besonders großes Interesse an so genannten ultra-heißen Jupitern mit mehr als 2000 K heißen Tagseiten-Temperaturen. Hier besagen die Vorhersagen, dass sich beim Übergang von der Nacht zur Tagseite noch Wolken bilden können. Für die Abendseite dagegen sagen die Modelle vorher, dass weitestgehend wolkenfreie Bereiche vorherherrschen sollten. Solche extremen Unterschiede zwischen einer wolkigen Morgenseite und einer wolken-freien Abendseite sollten besonders große Transit-Asymmetrien hervorrufen.

PLATO kann mehr

Auf jeden Fall zeigt die neue Studie, dass die PLATO-Mission, die eigentlich als Jäger für terrestrische Planeten konzipiert ist, auch zur Erforschung extraheißer Gasriesen viel beitragen und dabei komplementär zum James-Webb-Weltraumteleskop sein wird. Die Modelle des IWF Graz leisten hier einen maßgeblichen Beitrag, der die Relevanz des Forschungsstandortes Graz und damit der Steiermark für die Planetenforschung unterstreicht.

Um das Potenzial dieser Messungen mit PLATO voll und ganz auszunutzen, geht das IWF Graz hier auch eine enge Partnerschaft mit der Universität Graz ein. Erst die Kombination zwischen neuesten 3D-Exoplaneten-Wolken-Modellen (IWF Graz) und 3D-Sternenmodellen (Lively Stars) erlaubt es, stellare und planetare Effekte in den PLATO-Daten zu trennen und dabei nicht nur die Wolken des Planeten, sondern auch magnetische Effekte auf der Oberfläche des Sternengestirns zu vermessen. "Diese Partnerschaft stellt also eine echte Win-Win-Situation dar und demonstriert eindrücklich die Relevanz des Forschungsstandortes Graz als einen der Hotspots der weltweiten Weltraumforschung", betont Helling.

Why space research matters - 26 hochpräzise Kameras mit Technik "made in Styria"

Die Erforschung der Wolkenbildung und Chemie in heißen Exoplaneten, wo sich aufgrund der extremen Bedingungen Aluminium-Oxid-Cluster bilden, hat große Relevanz in Zeiten von Massensatelliten-Starts. Wenn Starlink-Satelliten beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verglühen, wird ebenfalls Aluminum-Oxid in die obere Atmosphäre eingebracht. Inwiefern diese Moleküle die Atmosphärenchemie auf der Erde beeinflussen, wird gerade erforscht.

Damit IWF-Wolkenforscher:innen mit PLATO die Geheimnisse von exotischen Wolken entschlüsseln können, braucht es Daten. Diese werden von bis zu 26 Kameras geliefert, die mindestens 300.000 Sterne als Zielobjekte ins Visier nehmen werden. Zur Verarbeitung der großen Datenmengen steuern die Weltraumforscher:innen der ÖAW in Graz hier die Router and Data Compression Unit (RDCU) bei. Wenn PLATO also Anfang nächsten Jahres startet, wird auch Technik "made in Styria" mitfliegen.