Ein Planet verschwindet: Die schwindende Atmosphäre von GJ 3470b

Eine schwindende Welt im ultravioletten Licht

Für Astronomen, die im ultravioletten Licht beobachten, sieht eine neptungroße Welt in etwa 96 Lichtjahren Entfernung weniger wie ein Planet und eher wie ein Komet aus. Spektren des Hubble Space Telescope offenbaren eine gewaltige Wolke aus neutralem Wasserstoff, die GJ 3470b umgibt, vom Planeten weggeblasen wird und in den Weltraum strömt. Das Signal ist so stark, dass Forscher schätzen, dass der Planet bereits einen beträchtlichen Teil seiner ursprünglichen Masse verloren hat und schneller verdampft als jede vergleichbare, bisher untersuchte Welt.

Wie das Signal gefunden wurde

Die Entdeckung basiert auf wiederholten Beobachtungen des Transits von GJ 3470b vor seinem roten Zwergstern (Wirtsstern), die im Rahmen des Programms Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET) in der Lyman-Alpha-Linie des Wasserstoffs durchgeführt wurden. Die Hubble-Daten zeigen eine tiefe, reproduzierbare Absorption während des Transits: etwa 35 % im Blauflügel der Linie und 23 % im Rotflügel. Diese Signaturen deuten auf eine ausgedehnte, strukturierte Hülle aus neutralem Wasserstoff hin, die weit über die Roche-Grenze des Planeten hinausreicht. Diese Messungen ermöglichten es dem Team, das entweichende Material zu modellieren und eine gegenwärtige Verlustrate an neutralem Wasserstoff in der Größenordnung von 10^10 Gramm pro Sekunde abzuleiten.

Physik des Entweichens: Aufheizung, Strahlungsdruck und Roche-Grenzen

Planeten auf engen Umlaufbahnen sind der Röntgen- und Extrem-Ultraviolett-Strahlung (XUV) ihres Sterns schutzlos ausgeliefert. Diese Energie heizt die obere Atmosphäre auf und versetzt sie in eine hydrodynamische Strömung: Das Gas dehnt sich aus, bis einzelne Partikel der Schwerkraft des Planeten entkommen. Bei GJ 3470b wird dieser Prozess verstärkt, da die Welt eine relativ geringe Dichte aufweist und einen jungen, aktiven M-Zwerg umkreist, sodass der Strahlungsdruck und der hochenergetische Fluss des Sterns den neutralen Wasserstoff mit hohen Geschwindigkeiten wegschleudern. Numerische Simulationen, die die beobachtete stellare Einstrahlung mit der Partikeldynamik kombinieren, reproduzieren die Hubble-Absorptionssignaturen und implizieren, dass der Planet Material weitaus schneller verliert als zuvor vermessene warme Neptune.

Form der Exosphäre gibt Aufschluss über die Dynamik

Die Absorption von GJ 3470b ist in der Geschwindigkeit asymmetrisch, mit sowohl blau- als auch rotverschobenen Komponenten. Dieses Muster – ein ausgedehnter Blauflügel, der auf Atome hindeutet, die vom Stern weg beschleunigt werden, und ein Rotflügel, der mit dichtem, langsam fließendem Gas übereinstimmt – deutet auf mehrere Regionen in der entweichenden Strömung hin. Die Analyse spricht für eine ellipsoidförmige, langgestreckte Thermosphäre, die sich über Dutzende von Planetenradien vor und hinter dem Planeten erstrecken kann, und könnte eine Stoßfrontschicht enthalten, in der ausströmendes planetares Gas mit dem Sternwind kollidiert. Diese geometrischen Details ermöglichen es den Astronomen, von der bloßen Entdeckung einer Wolke zu einer Abschätzung der Geschichte des Masseverlusts überzugehen.

Wie viel bereits verloren ging und was die Zukunft bereithält

Projiziert man die abgeleitete Verlustrate unter plausiblen Annahmen über die vergangene Aktivität des Sterns zurück, schätzt das Team, dass GJ 3470b über seine etwa zwei Milliarden Jahre lange Lebensdauer bereits zwischen 4 % und 35 % seiner heutigen Gesamtmasse verloren haben könnte – und dieser Anteil könnte noch größer sein, falls der Stern in seiner Jugend dramatisch heller im XUV-Bereich war. Ein anhaltendes Entweichen bei vergleichbaren durchschnittlichen Raten könnte den Planeten in einigen Milliarden Jahren seiner gesamten Wasserstoffhülle berauben und einen viel kleineren, felsigen Kern zurücklassen – ein evolutionärer Pfad, der erklären könnte, warum so wenige neptungroße Planeten in unmittelbarer Nähe ihrer Sterne beobachtet werden. Die Berechnungen sind jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet: Die Masseverlustraten hängen von der ungewissen Historie der stellaren Aktivität, der Zusammensetzung und thermischen Struktur der Atmosphäre sowie den Wechselwirkungen mit dem Sternwind ab.

Kontext: Die Verdampfungswüste und die Entwicklung der Populationen

Exoplanet-Durchmusterungen haben seit langem einen relativen Mangel an mittelgroßen Planeten bei kurzen Umlaufabständen festgestellt – ein Merkmal, das manchmal als „Verdampfungswüste“ (evaporation desert) bezeichnet wird. Eine Erklärung dafür ist, dass viele warme Neptune mit dicken Wasserstoff-Helium-Hüllen entstanden, aber durch anhaltendes Entweichen der Atmosphäre zu Supererden und Mini-Neptunen reduziert wurden. GJ 3470b befindet sich nahe am Rand dieser Wüste, und sein deutlicher, fortschreitender Verlust liefert ein direktes, beobachtbares Beispiel für diesen Erosionsmechanismus in Aktion. Ein Vergleich von GJ 3470b mit dem bekannteren verdampfenden Neptun GJ 436b zeigt, dass das Fluchtverhalten zwischen ähnlichen Planeten aufgrund von Unterschieden in der Dichte und der Aktivität des Wirtssterns stark variieren kann.

Beobachtungsherausforderungen und warum Ultraviolett entscheidend ist

Die Untersuchung des Wasserstoffverlusts beruht auf ultravioletter Spektroskopie, was eine große beobachtungstechnische Einschränkung darstellt: Das interstellare Medium streut und absorbiert Lyman-Alpha, sodass nur relativ nahe gelegene Systeme – innerhalb von etwa 150 Lichtjahren und mit günstigen Sichtlinien – zugänglich sind. Hubbles UV-Fähigkeiten waren daher unerlässlich, und der Multi-Epochen-Ansatz des PanCET-Programms machte es möglich, planetare Signale von stellarer Variabilität und instrumentellen Effekten zu trennen. Komplementäre Tracer, wie im Infraroten beobachtetes Helium, umgehen einige der Lyman-Alpha-Beschränkungen und sind für Instrumente wie das James Webb Space Telescope und bodengebundene, auf Heliumlinien abgestimmte Spektrographen zugänglich; diese Beobachtungen haben hohe Priorität, da sie Regionen der Strömung mit geringerer Geschwindigkeit untersuchen und helfen können, die Bilanz des gesamten Masseverlusts zu vervollständigen.

Offene Fragen und nächste Schritte

Trotz der Klarheit des Hubble-Signals bleiben wichtige Unsicherheiten bestehen. Die Übertragung einer gemessenen Verlustrate von neutralem Wasserstoff auf einen atmosphärischen Gesamtmasseverlust erfordert Annahmen über das Ionisierungsgleichgewicht und den Anteil schwererer Elemente, die in der Strömung mitgerissen werden. Die hochenergetische Vergangenheit des Sterns – wie leuchtkraftstark er im XUV-Bereich war, als er jung war – dominiert die Schätzungen des integrierten Masseverlusts und ist nur indirekt eingrenzbar. Künftig planen Astronomen Nachbeobachtungen in verschiedenen Wellenlängen: Helium-Suchen im Infraroten, zusätzliches ultraviolettes Monitoring zur Überprüfung der langfristigen Stabilität oder von Veränderungen im Zusammenhang mit der stellaren Aktivität sowie vergleichende Studien, die die Stichprobe der in Lyman-Alpha beobachteten warmen Neptune erweitern. Zusammen werden diese Beobachtungen die Rolle der Verdampfung bei der Formung von Exoplaneten-Populationen präzisieren.

GJ 3470b ist daher sowohl ein Labor als auch eine Warnung: Unter dem unerbittlichen Einfluss eines nahen Sterns kann sich eine Welt langsam häuten und in etwas völlig anderes verwandeln. Diese Entwicklung – turbulent, langwierig und sichtbar, wenn man weiß, wo man suchen muss – könnte ein gewöhnliches Kapitel in der Lebensgeschichte vieler Planeten sein, die kleine, aktive Sterne umkreisen.

Quellen

• Astronomy & Astrophysics (Forschungsarbeit: „Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b“).
• Johns Hopkins University / PanCET-Pressematerialien zu Hubble-Beobachtungen von GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (Hubble-Missionsunterstützung und PanCET-Programmdokumentation).