HD 189733 b – Regnet es auf diesem Exoplaneten wirklich Glas?

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HD 189733 b Regnet es auf diesem Exoplaneten wirklich Glas

Auf den ersten Blick könnte HD 189733 b beinahe einladend wirken. Als das Hubble-Weltraumteleskop seine sichtbare Farbe bestimmte, erschien der Planet in einem tiefen Blau – einer Farbe, die aus der Ferne an die Erde erinnert. Doch Ozeane gibt es dort nicht. HD 189733 b ist ein riesiger Gasplanet, der seinen Stern in nur wenig mehr als zwei Tagen umkreist. Seine Atmosphäre ist über 1.000 Grad Celsius heiß, gewaltige Luftströmungen rasen um den Planeten, und in seinen Wolken befinden sich wahrscheinlich winzige Silikatteilchen.

Daraus entstand eines der bekanntesten Bilder der Exoplanetenforschung: Auf HD 189733 b soll es Glas regnen – möglicherweise fast waagerecht durch eine glühend heiße Atmosphäre getrieben. Diese Beschreibung ist nicht völlig aus der Luft gegriffen. Sie vereinfacht jedoch eine wesentlich interessantere wissenschaftliche Geschichte. Denn niemand hat auf HD 189733 b einzelne Regentropfen beobachtet. Was Teleskope tatsächlich nachweisen können, sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften seiner Atmosphäre. Und gerade dort haben neuere Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop die Vorstellung von Wolken aus silikatischem Material erheblich gestärkt.

Was ist HD 189733 b?

HD 189733 b liegt rund 63 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Füchschen. Der 2005 entdeckte Exoplanet besitzt ungefähr die 1,13-fache Masse des Jupiter und einen Radius von ebenfalls etwa 1,13 Jupiterradien. Er ist damit ein Gasriese und gehört zur Klasse der sogenannten heißen Jupiter.

Heiße Jupiter ähneln in Größe und Masse grundsätzlich unserem Jupiter, unterscheiden sich aber drastisch durch ihre Umlaufbahnen. HD 189733 b befindet sich nur etwa 0,031 Astronomische Einheiten von seinem Stern entfernt. Ein Jahr dauert dort lediglich rund 2,2 Erdentage. Zum Vergleich: Merkur benötigt für einen Umlauf um die Sonne 88 Tage.

Diese extreme Nähe zum Stern führt dazu, dass HD 189733 b einer gewaltigen Strahlungsmenge ausgesetzt ist. Seine Atmosphäre erreicht Temperaturen von weit über 1.000 Grad Celsius. Da es sich um einen Gasriesen handelt, gibt es keine feste Oberfläche, auf der jemand stehen und einen „Glasregen“ beobachten könnte. Gemeint sind vielmehr Vorgänge in den unterschiedlichen Schichten seiner ausgedehnten Atmosphäre.

Warum ist HD 189733 b blau?

Die blaue Farbe des Planeten wurde 2013 mit dem Hubble-Weltraumteleskop bestimmt. Astronomen beobachteten das System kurz vor, während und nach dem Moment, in dem HD 189733 b hinter seinem Stern verschwand. Aus der dadurch auftretenden winzigen Änderung der Helligkeit ließ sich ableiten, welches sichtbare Licht zuvor vom Planeten selbst gekommen war.

Das Ergebnis war ungewöhnlich deutlich: HD 189733 b reflektiert im blauen Bereich wesentlich mehr Licht als im roten Bereich. Der Planet würde für einen entfernten Beobachter daher tatsächlich tiefblau erscheinen.

Doch die Ähnlichkeit mit der Erde ist rein optisch. Das Blau unserer Erde entsteht vor allem durch die Ozeane und die Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre. Auf HD 189733 b wird die Färbung mit kleinen Teilchen in hoch gelegenen Wolken und Dunstschichten in Verbindung gebracht. Silikatische Partikel können kurzwelliges blaues Licht besonders wirksam streuen.

Schon damals vermuteten Forscher deshalb, dass Mineralteilchen entscheidend für das Erscheinungsbild des Planeten sein könnten. Silikate sind auch grundlegende Bestandteile vieler Gesteine auf der Erde – und Ausgangsstoffe für gewöhnliches Glas. Daraus entwickelte sich die inzwischen berühmte Beschreibung vom „Glasregen“.

Regnet es auf HD 189733 b tatsächlich Glas?

Im wörtlichen Sinn ist diese Aussage nicht bewiesen. Kein Teleskop kann einzelne Tropfen oder Körner beobachten, die durch die Atmosphäre eines 63 Lichtjahre entfernten Planeten fallen.

Physikalisch steckt hinter der Vorstellung jedoch ein plausibler Prozess.

Bei den hohen Temperaturen in Atmosphären heißer Jupiter können Materialien völlig andere Kreisläufe durchlaufen als auf der Erde. Während bei uns Wasser verdampft, Wolken bildet und als Regen oder Schnee zurückfällt, können auf extrem heißen Gasplaneten Mineralstoffe verdampfen oder kondensieren. Silizium- und sauerstoffhaltige Verbindungen können dabei winzige feste oder flüssige Partikel bilden.

Wenn solche Partikel in kühlere Bereiche der Atmosphäre transportiert werden, können sie wachsen und absinken. In wärmeren Regionen können sie anschließend wieder verdampfen. Statt eines Wasserkreislaufs entsteht so möglicherweise ein komplizierter mineralischer Wolkenkreislauf.

Der Ausdruck „Glasregen“ beschreibt also nicht den Regen aus Glasscherben, den das Wort zunächst vermuten lässt. Gemeint sind mikroskopisch kleine silikatische Partikel oder Tröpfchen, deren chemische Zusammensetzung Materialien ähnelt, die auch zur Bildung von Quarz und Glas beitragen.

James Webb findet Quarz in den Wolken

Entscheidend verändert hat sich die Beweislage durch Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Forscher untersuchten die Wärmestrahlung der Tagseite von HD 189733 b mit dem MIRI-Instrument im mittleren Infrarotbereich.

Dabei fanden sie eine charakteristische Absorptionsstruktur bei ungefähr 8,7 Mikrometern. Atmosphärenmodelle zeigten, dass diese Signatur besonders gut durch winzige Teilchen aus Siliziumdioxid – SiO₂ – erklärt werden kann. Siliziumdioxid ist der Hauptbestandteil von Quarz und zugleich ein zentraler Ausgangsstoff vieler Gläser. Die Modelle mit solchen Partikeln passten deutlich besser zu den Beobachtungen als wolkenfreie Atmosphären oder Modelle mit anderen untersuchten Wolkenmaterialien.

Die vermuteten Körner sind extrem klein. Die Analyse ergab Größen in der Größenordnung von ungefähr 0,01 Mikrometern in den oberen Atmosphärenschichten. Damit handelt es sich nicht um sichtbare Glasstücke, sondern um feinen mineralischen Staub.

Besonders wichtig ist: Die Webb-Beobachtungen liefern erstmals einen direkten spektralen Hinweis auf Silikatwolken auf der Tagseite von HD 189733 b. Damit ist die ältere Vorstellung einer silikathaltigen Atmosphäre wesentlich besser abgesichert als noch zu Zeiten der ersten Hubble-Beobachtungen.

Der spektakuläre Begriff „Glasregen“ bleibt trotzdem eine anschauliche Vereinfachung. Nachgewiesen wurden die Silikatpartikel in der Atmosphäre – nicht ihr tatsächliches Herabregnen.

Wie entstehen Quarzwolken bei mehr als 1.000 Grad?

Auf der Erde erscheint die Vorstellung einer Wolke aus Gesteinsbestandteilen ungewöhnlich. Auf HD 189733 b herrschen jedoch Bedingungen, bei denen selbst schwer verdampfbare Stoffe Teil atmosphärischer Prozesse werden können.

Der Planet wendet seinem Stern wahrscheinlich dauerhaft annähernd dieselbe Seite zu. Dadurch entsteht eine ständig stark bestrahlte Tagseite und eine wesentlich kühlere Nachtseite. Zwischen beiden Regionen entwickelt sich ein enormer Temperaturunterschied, der starke atmosphärische Strömungen antreiben kann.

Modelle heißer Jupiter zeigen, dass Material dadurch über große Entfernungen durch die Atmosphäre transportiert wird. Stoffe, die in besonders heißen Regionen gasförmig vorliegen, können in etwas kühleren Gebieten kondensieren und Wolken bilden. Diese Teilchen können wiederum von den Strömungen weitertransportiert werden.

Die Webb-Daten sprechen dafür, dass die Siliziumdioxidpartikel von HD 189733 b besonders hoch in der Atmosphäre vorkommen. Eine mögliche Erklärung ist ihre Bildung in sehr heißen Bereichen nahe dem Punkt, an dem die Strahlung des Sterns am stärksten auf den Planeten trifft.

Die Atmosphäre könnte damit einen Kreislauf besitzen, bei dem Mineralstoffe verdampfen, transportiert werden, zu Wolken kondensieren und anschließend wieder in tiefere oder heißere Schichten gelangen.

Gibt es wirklich Winde mit Tausenden Kilometern pro Stunde?

Auch die häufig genannte Vorstellung eines nahezu waagerechten Glasregens hängt mit den extremen Windgeschwindigkeiten zusammen. NASA und ESA beschrieben HD 189733 b nach den Hubble-Beobachtungen mit atmosphärischen Strömungen von mehreren Tausend Kilometern pro Stunde; verbreitet wurde insbesondere eine Größenordnung um 7.000 Kilometer pro Stunde.

Solche Angaben dürfen allerdings nicht mit einer Windmessung durch eine Wetterstation verwechselt werden. Die atmosphärische Dynamik von Exoplaneten wird aus Temperaturverteilungen, Spektren, zeitlich veränderlichen Signalen und physikalischen Zirkulationsmodellen erschlossen.

Dass auf HD 189733 b äußerst starke Luftströmungen auftreten, gilt aufgrund der intensiven Erwärmung und der großen Unterschiede zwischen verschiedenen Atmosphärenregionen als sehr plausibel. Die exakte Windgeschwindigkeit hängt jedoch davon ab, welche Atmosphärenschicht betrachtet wird und welches Modell zugrunde liegt.

Die populäre Vorstellung von glühenden Silikatteilchen, die von Orkanen nahezu horizontal um den Planeten getragen werden, beschreibt deshalb ein physikalisch mögliches Szenario – aber keine direkt beobachtete Wetterszene.

Was befindet sich noch in der Atmosphäre?

HD 189733 b gehört zu den am gründlichsten untersuchten Atmosphären eines heißen Jupiters. Seine relative Nähe zur Erde und die Tatsache, dass er von uns aus gesehen regelmäßig vor seinem Stern vorbeizieht, machen ihn für die Spektroskopie besonders interessant.

Das James-Webb-Weltraumteleskop hat die Kenntnisse über seine chemische Zusammensetzung inzwischen erheblich erweitert. In einer 2024 veröffentlichten Untersuchung wurden in seinem Transmissionsspektrum Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff nachgewiesen. Besonders der Nachweis von Schwefelwasserstoff war für die Erforschung heißer Gasplaneten bedeutsam, weil Schwefelchemie Hinweise auf die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte eines Planeten liefern kann.

Die Analyse deutete außerdem darauf hin, dass die Atmosphäre stärker mit schweren Elementen angereichert ist als der Stern selbst. Solche Messungen helfen Forschern zu rekonstruieren, aus welchem Material der Planet während seiner Entstehung aufgebaut wurde und wie sich heiße Jupiter anschließend in die Nähe ihrer Sterne bewegt haben könnten.

HD 189733 b ist damit längst mehr als nur der Planet, auf dem angeblich Glas regnet. Er ist zu einem der wichtigsten Referenzobjekte für die Untersuchung fremder Atmosphären geworden.

Könnte auf HD 189733 b Leben existieren?

Nach allem, was bekannt ist, bietet HD 189733 b keine Bedingungen, unter denen Leben nach irdischem Vorbild möglich erscheint. Der Planet besitzt keine feste bewohnbare Oberfläche, seine Atmosphäre erreicht extreme Temperaturen, und die intensive Strahlung seines nahen Sterns schafft eine Umgebung, die fundamental von der Erde abweicht.

Hinzu kommt, dass Beobachtungen sogar Hinweise auf entweichenden Wasserstoff aus der oberen Atmosphäre geliefert haben. Der Stern beeinflusst seinen Planeten also nicht nur durch Wärme und Licht, sondern kann langfristig auch zum Verlust atmosphärischen Materials beitragen.

Für die Suche nach Leben ist HD 189733 b daher kaum ein Kandidat. Für die Erforschung der Physik und Chemie von Exoplaneten ist er dagegen außerordentlich wertvoll.

Was ist am „Glasregen“ bewiesen – und was nicht?

Gesichert ist zunächst, dass HD 189733 b ein tiefblau erscheinender heißer Jupiter ist, der seinen Stern in nur etwa 2,2 Tagen umrundet. Seine Atmosphäre erreicht Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius und weist eine komplexe chemische Zusammensetzung auf. Hubble konnte die blaue Farbe des Planeten bestimmen, während Webb inzwischen verschiedene Moleküle und Siliziumdioxidpartikel in seiner Atmosphäre nachgewiesen hat.

Sehr gut begründet ist damit die Existenz silikathaltiger Wolken. Auch starke atmosphärische Strömungen sind aufgrund der beobachteten und modellierten Bedingungen zu erwarten.

Nicht direkt nachgewiesen wurde dagegen, dass tatsächlich Tropfen aus geschmolzenem Glas wie Regen durch die Atmosphäre fallen. Ebenso wenig lässt sich beobachten, ob solche Partikel kontinuierlich absinken, wie groß sie in verschiedenen Atmosphärenschichten werden oder an welchen Stellen des Planeten Niederschlag stattfindet.

Die bekannte Aussage ist deshalb zugleich richtig und irreführend: Auf HD 189733 b gibt es tatsächlich Materialien in den Wolken, die chemisch eng mit Quarz und Glas verbunden sind. Dass daraus ein mineralischer Niederschlag entsteht, ist physikalisch plausibel. Das populäre Bild eines waagerechten Sturms aus Glassplittern geht jedoch weiter als die Beobachtungen.

Die Wirklichkeit ist kaum weniger ungewöhnlich. Rund 63 Lichtjahre entfernt existiert ein tiefblauer Gasriese, dessen Atmosphäre heiß genug ist, um Mineralstoffe in einen planetaren Wetterkreislauf einzubeziehen. Auf der Erde regnet Wasser aus Wolken. Auf HD 189733 b könnten es Silikate sein.

Und gerade weil wir diesen Regen nicht direkt sehen können, ist der Planet wissenschaftlich so spannend: Aus winzigen Veränderungen des Sternlichts können Astronomen inzwischen erkennen, aus welchem Material die Wolken einer Welt bestehen, die mehr als eine halbe Billiarde Kilometer entfernt ist.

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Quellen
▪︎ NASA Exoplanet Exploration – HD 189733 b
▪︎ NASA/Hubble – NASA’s Hubble Finds a True Blue Planet
▪︎ ESA/Hubble – Beobachtungen und Darstellung von HD 189733 b
▪︎ Julie Inglis et al., The Astrophysical Journal Letters – Quartz Clouds in the Dayside Atmosphere of the Quintessential Hot Jupiter HD 189733 b
▪︎ Guangwei Fu et al., Nature – Hydrogen sulfide and metal-enriched atmosphere for a Jupiter-mass exoplanet
▪︎ E. K. H. Lee et al. – Dynamic mineral clouds on HD 189733b
▪︎ Vincent Bourrier et al. – Atmospheric escape from HD 189733b observed in H I Lyman-alpha