WASP-76b – Regnet es auf diesem Exoplaneten Eisen?

7.West Welten im All
WASP-76b Regnet es auf diesem Exoplaneten Eisen

Auf der Erde braucht es für Regen vor allem Wasser, Wolken und Temperaturen, bei denen Wasserdampf kondensieren kann. Auf dem Exoplaneten WASP-76b gelten andere Regeln. Dort ist die Atmosphäre auf der Tagseite so heiß, dass selbst Eisen gasförmig vorkommen kann. Starke atmosphärische Strömungen transportieren dieses Eisen in kühlere Regionen des Planeten. Dort könnte es kondensieren und als flüssiges Metall in tiefere Atmosphärenschichten fallen.

Seit Astronomen im Jahr 2020 ungewöhnliche Eisensignaturen in der Atmosphäre von WASP-76b entdeckten, wird der Planet deshalb häufig als die Welt beschrieben, auf der es Eisen regnet. Ganz so eindeutig wie diese Formulierung klingt, ist die Sache jedoch nicht. Beobachtet wurden keine Metalltropfen. Nachgewiesen wurde vielmehr eine auffällige Verteilung von gasförmigem Eisen in einer Atmosphäre mit extremen Temperaturunterschieden. Eisenregen ist eine plausible Erklärung dafür – aber nicht die einzige Möglichkeit, die mit allen Beobachtungen vereinbar ist.

Was ist WASP-76b?

WASP-76b ist ein sogenannter ultraheißer Jupiter, ein Gasriese, der seinem Stern außergewöhnlich nahe kommt. Er befindet sich im Sternbild Fische und benötigt für einen vollständigen Umlauf nur rund 1,81 Erdentage. Seine Bahn liegt in einer Entfernung von ungefähr 0,033 Astronomischen Einheiten vom Stern – nur einem Bruchteil des Abstandes zwischen Merkur und unserer Sonne.

Der Planet besitzt ungefähr die Masse des Jupiter, ist aber deutlich größer. Sein Radius beträgt etwa 1,8 Jupiterradien. Die intensive Strahlung seines Sterns hat seine äußeren Schichten stark aufgeheizt und aufgebläht. Damit gehört WASP-76b zu jener Klasse von Exoplaneten, deren Atmosphären Bedingungen erreichen, die im Sonnensystem keine direkte Entsprechung haben.

Da WASP-76b ein Gasriese ist, besitzt er keine feste Oberfläche wie die Erde. Wer von „Eisenregen auf WASP-76b“ spricht, meint daher keinen Regen, der auf einen metallischen oder felsigen Boden fällt. Die vermuteten Eisentropfen würden durch die Atmosphäre absinken und in tieferen, heißeren Schichten möglicherweise wieder verdampfen.

Warum ist WASP-76b so heiß?

Der entscheidende Grund ist die geringe Entfernung zu seinem Stern. WASP-76b empfängt wesentlich mehr Strahlungsenergie als ein Planet in einer Entfernung wie die Erde. Auf seiner Tagseite erreichen die beobachteten beziehungsweise modellierten Temperaturen Werte von etwa 2.500 Kelvin und darüber. Messungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop ergaben je nach untersuchtem Infrarotbereich Helligkeitstemperaturen der Tagseite von ungefähr 2.470 bis 2.700 Kelvin. Auf der Nachtseite wurden dagegen deutlich niedrigere Werte zwischen etwa 1.260 und 1.520 Kelvin gemessen.

Diese Unterschiede sind für das Verständnis des Eisenregens entscheidend.

WASP-76b befindet sich seinem Stern so nahe, dass sehr wahrscheinlich annähernd gebundene Rotation herrscht. Eine Seite des Planeten zeigt damit ständig in Richtung des Sterns, während die andere dauerhaft vom direkten Sternlicht abgewandt bleibt. Zwischen der glühenden Tagseite und der wesentlich kühleren Nachtseite entsteht dadurch ein enormes Temperaturgefälle.

Die Atmosphäre versucht, diese Unterschiede auszugleichen. Gas strömt von heißen zu kühleren Regionen und transportiert dabei nicht nur Wärme, sondern auch chemische Elemente über den Planeten.

Und zu diesen Elementen gehört Eisen.

Wie kann Eisen überhaupt zu Dampf werden?

Auf der Erde kennen wir Eisen als festen Werkstoff. Es schmilzt erst bei mehr als 1.500 Grad Celsius und siedet bei noch wesentlich höheren Temperaturen. In einer extrem heißen Atmosphäre gelten jedoch andere Druck- und Temperaturbedingungen als an der Erdoberfläche. Bei ultraheißen Jupitern können verschiedene Metalle in atomarer Form in den oberen Atmosphärenschichten vorkommen.

Genau das lässt sich spektroskopisch beobachten. Wenn Licht des Sterns während eines Transits durch die Atmosphäre des Planeten fällt, hinterlassen Atome und Moleküle charakteristische Absorptionslinien im Spektrum. Auf diese Weise können Astronomen feststellen, welche Stoffe sich in einer Atmosphäre befinden, obwohl der Planet selbst nur als winziger Lichtverlust vor seinem Stern erscheint.

Bei WASP-76b wurde neutrales Eisen nachgewiesen. Weitere hochauflösende spektroskopische Untersuchungen haben die Anwesenheit von Eisen in seiner Atmosphäre bestätigt. 2024 gelang Forschern zudem der Nachweis von neutralem Eisen anhand von Emissionslinien auf der Tagseite des Planeten.

Die Aussage, dass sich Eisen in der heißen Atmosphäre von WASP-76b befindet, ist damit gut belegt.

Die Frage lautet vielmehr: Was geschieht damit, wenn dieses Eisen die kühlere Seite des Planeten erreicht?

Woher stammt die Theorie vom Eisenregen?

Die Geschichte des Eisenregens begann mit Beobachtungen des ESPRESSO-Spektrografen am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Astronomen untersuchten WASP-76b während seiner Transits und konnten dabei verfolgen, wie sich die Eisensignatur über verschiedene Bereiche der Atmosphäre veränderte.

Die 2020 veröffentlichten Ergebnisse zeigten eine auffällige Asymmetrie. Auf jener Seite des Planeten, an der Atmosphärenmaterial von der heißen Tagseite in Richtung Nachtseite transportiert wird, war gasförmiges Eisen deutlich vorhanden. Auf der gegenüberliegenden Seite zeigte sich das Signal wesentlich schwächer.

Eine naheliegende Erklärung war, dass das Eisen auf der heißen Tagseite gasförmig bleibt, durch atmosphärische Strömungen in Richtung Nachtseite gelangt und dort aufgrund der niedrigeren Temperaturen kondensiert. Das Eisen wäre dann nicht mehr als gasförmiges Atom in derselben Atmosphärenschicht nachweisbar.

Genau daraus entstand das Bild des Eisenregens: Metall, das auf der Tagseite verdampft und auf der kühleren Seite wieder aus der Atmosphäre ausfällt.

Regnet auf WASP-76b wirklich flüssiges Eisen?

Möglich ist es. Direkt bewiesen ist es nicht.

Das ist die wichtigste Einschränkung bei der populären Beschreibung des Planeten. Teleskope haben keine Regentropfen auf WASP-76b gesehen. Selbst die leistungsfähigsten heutigen Instrumente können einen Exoplaneten in dieser Entfernung nicht mit einer Auflösung beobachten, bei der einzelne Wolken oder Niederschlagsgebiete sichtbar wären.

Was Astronomen messen, sind Spektren. Daraus lässt sich ableiten, dass gasförmiges Eisen vorhanden ist und dass seine Verteilung innerhalb der Atmosphäre ungewöhnlich ist.

Die ursprüngliche Interpretation – Verdampfung auf der Tagseite, Transport und Kondensation auf der Nachtseite – ist physikalisch plausibel. Spätere dreidimensionale Atmosphärenmodelle zeigten allerdings, dass allein die Kondensation von Eisen die beobachteten Dopplerverschiebungen und Unterschiede nicht vollständig erklären muss. Auch komplexe atmosphärische Strömungen, Wolken und andere dynamische Prozesse können einen wichtigen Anteil an dem Signal haben.

Der berühmte Eisenregen ist deshalb keine erfundene Geschichte. Er ist eine wissenschaftlich begründete Hypothese, deren Einzelheiten weiterhin untersucht werden.

Wie würde Eisenregen auf WASP-76b aussehen?

Selbst wenn Eisen tatsächlich kondensiert, sollte man sich den Vorgang nicht wie einen gewöhnlichen Regenschauer auf der Erde vorstellen.

WASP-76b besitzt keine feste Oberfläche und vermutlich keine klar abgegrenzte Wolkendecke wie ein irdischer Himmel. Die Atmosphäre geht mit zunehmender Tiefe kontinuierlich in immer dichtere und heißere Gasschichten über. Kondensiertes Eisen könnte deshalb in Form winziger Tröpfchen oder Partikel entstehen und anschließend in tiefere Atmosphärenschichten absinken.

Dabei würde es irgendwann wieder Regionen erreichen, in denen die Temperaturen hoch genug sind, um das Material erneut zu verdampfen.

Damit könnte auf WASP-76b ein gewaltiger metallischer Kreislauf existieren: Eisen liegt in heißen Regionen als Gas vor, wird durch die Atmosphäre transportiert, kondensiert in kühleren Bereichen, sinkt ab und verdampft in tieferen Schichten erneut.

Ein solcher Kreislauf wäre die extreme Variante eines Wetterprozesses. Auf der Erde zirkuliert Wasser zwischen Verdunstung, Wolkenbildung und Niederschlag. Auf einem ultraheißen Jupiter können stattdessen Stoffe Teil des Wetters werden, die bei uns Gestein oder Metall bilden.

Welche Winde gibt es auf WASP-76b?

Das starke Temperaturgefälle zwischen Tag- und Nachtseite erzeugt eine äußerst dynamische Atmosphäre. Spektroskopische Beobachtungen zeigen erhebliche Dopplerverschiebungen in den Signalen verschiedener Elemente. Daraus schließen Forscher auf starke Strömungen und eine komplexe globale Zirkulation.

Solche Winde sind für den möglichen Eisenkreislauf unverzichtbar. Ohne atmosphärischen Transport würde das gasförmige Eisen weitgehend in den heißesten Regionen verbleiben. Erst die Strömungen bringen es in Zonen, in denen die Temperaturen so weit absinken, dass Kondensation möglich wird.

Die genaue Windstruktur ist allerdings komplizierter als die Vorstellung eines einzigen stetigen Sturms von der Tag- zur Nachtseite. Modelle ultraheißer Jupiter zeigen Strahlströme, vertikale Bewegungen und unterschiedliche Strömungsmuster in verschiedenen Höhen. Auch die Lage des heißesten Punktes muss nicht genau dem Punkt entsprechen, an dem der Stern senkrecht über der Atmosphäre steht.

Neuere Messungen von Eisen auf der Tagseite deuten beispielsweise darauf hin, dass Material aus besonders heißen Atmosphärengebieten in höhere Schichten aufsteigen könnte. WASP-76b besitzt damit vermutlich eine dreidimensionale Wetterdynamik, die weit über das einfache Schema „heiße Seite – kalte Seite“ hinausgeht.

Was befindet sich außer Eisen in der Atmosphäre?

WASP-76b ist inzwischen zu einem der am intensivsten spektroskopisch untersuchten ultraheißen Jupiter geworden. Dabei wurde eine ganze Reihe atomarer Elemente in seiner Atmosphäre identifiziert.

Neben Eisen fanden Forscher unter anderem Signaturen von Kalzium, Chrom, Lithium, Magnesium, Mangan, Natrium und Vanadium. Besonders überraschend war 2022 der Nachweis ionisierten Bariums. Barium besitzt eine deutlich höhere Atommasse als Eisen und gehörte zum Zeitpunkt des Nachweises zu den schwersten Elementen, die in einer Exoplanetenatmosphäre identifiziert worden waren.

Der Fund stellte Forscher vor eine interessante Frage: Wie können derart schwere Elemente in hohen Atmosphärenschichten verbleiben? Eigentlich wäre zu erwarten, dass sie unter dem Einfluss der Gravitation in tiefere Regionen absinken. Ihre Anwesenheit deutet darauf hin, dass die Atmosphäre von WASP-76b intensiv durchmischt wird und starke dynamische Prozesse Material nach oben transportieren können.

Der Planet ist deshalb nicht allein wegen des möglichen Eisenregens interessant. Seine Atmosphäre bietet die Möglichkeit, chemische Prozesse unter Temperaturen zu untersuchen, bei denen Metalle selbst zu Bestandteilen des Wetters werden.

Könnte es auf WASP-76b Wolken aus Metall geben?

Auch das ist grundsätzlich möglich. Bei den extremen Temperaturunterschieden des Planeten können unterschiedliche Stoffe abhängig von Höhe, Druck und geografischer Region zwischen gasförmigem und kondensiertem Zustand wechseln.

Eisen ist dabei nur eines von mehreren Materialien, die infrage kommen. Atmosphärenmodelle ultraheißer Jupiter sagen unter geeigneten Bedingungen außerdem Wolken aus verschiedenen Mineralen voraus. Für die Interpretation der ESPRESSO-Daten von WASP-76b wurden beispielsweise auch hoch liegende Wolken aus Eisen, Aluminiumoxid oder magnesiumhaltigen Silikaten untersucht.

Damit ähnelt der Begriff „Wolke“ auf solchen Planeten nur noch physikalisch seinem irdischen Gegenstück. Das Grundprinzip bleibt dasselbe: Ein gasförmiger Stoff kondensiert zu kleinen Partikeln oder Tröpfchen. Doch die Materialien unterscheiden sich radikal.

Eine Wolke muss nicht aus Wasser bestehen.

Kann auf WASP-76b Leben existieren?

Nach dem heutigen Wissen ist WASP-76b kein Kandidat für Leben, wie wir es kennen. Der Planet ist ein Gasriese ohne feste Oberfläche, wird extrem stark bestrahlt und erreicht Temperaturen, bei denen komplexe organische Strukturen, wie sie irdisches Leben benötigt, nicht stabil wären.

Seine Bedeutung liegt deshalb in einem ganz anderen Bereich. WASP-76b erlaubt Wissenschaftlern zu untersuchen, wie Atmosphären unter extremsten Bedingungen funktionieren. Auf der Erde kennen wir Meteorologie überwiegend als Zusammenspiel von Wasser, Luft, Sonnenenergie und Oberflächenprozessen. Auf ultraheißen Gasriesen können dagegen Metalle, ionisierte Atome und Gesteinsbestandteile Bestandteile der atmosphärischen Chemie werden.

Damit erweitert WASP-76b unsere Vorstellung davon, was „Wetter“ auf einem Planeten überhaupt bedeuten kann.

Was ist am Eisenregen bewiesen – und was bleibt offen?

Gut belegt ist, dass WASP-76b ein ultraheißer Jupiter mit einer extremen Tag-Nacht-Temperaturverteilung ist. Ebenfalls sicher ist, dass sich gasförmiges beziehungsweise atomar nachweisbares Eisen in seiner Atmosphäre befindet. Mehrere unabhängige spektroskopische Untersuchungen haben Eisensignaturen gefunden.

Sehr plausibel ist außerdem, dass Eisen in kühleren Regionen kondensieren kann. Genau dieser Prozess bietet eine mögliche Erklärung dafür, warum sich die beobachtete Eisensignatur über verschiedene Bereiche des Planeten verändert.

Nicht direkt beobachtet wurde dagegen flüssiger Eisenregen. Wie viel Eisen tatsächlich kondensiert, in welcher Höhe dies geschieht, welche Größe die entstehenden Tröpfchen oder Partikel besitzen und wie weit sie absinken, lässt sich derzeit nicht unmittelbar messen. Auch die dreidimensionale Zirkulation der Atmosphäre beeinflusst die beobachteten Signale erheblich.

Die oft gestellte Frage „Regnet es auf WASP-76b Eisen?“ lässt sich deshalb am besten mit einem vorsichtigen Ja beantworten: Die physikalischen Bedingungen erlauben Eisenkondensation, und die Beobachtungen sind mit einem solchen Prozess vereinbar. Dass auf der Nachtseite tatsächlich metallischer Niederschlag entsteht, ist eine ernsthafte wissenschaftliche Erklärung – aber keine direkt fotografierte Tatsache.

Gerade diese Unterscheidung macht WASP-76b nicht weniger außergewöhnlich. Rund um einen fernen Stern existiert ein Gasriese, auf dessen heißer Seite Eisen als Gas durch die Atmosphäre ziehen kann und auf dessen kühlerer Seite Temperaturen herrschen, bei denen dieses Metall möglicherweise wieder kondensiert.

Auf der Erde beobachten wir Regenwolken und sehen Wasser zu Boden fallen. Bei WASP-76b können Astronomen nur das Licht analysieren, das durch eine ferne Atmosphäre gegangen ist. Doch dieses Licht genügt inzwischen, um Hinweise auf einen Wetterkreislauf zu finden, in dem nicht Wasser, sondern Metall eine Rolle spielt.

Mehr zum Thema Exoplaneten

Quellen
▪︎ NASA Exoplanet Archive – WASP-76 b
▪︎ Europäische Südsternwarte ESO – Beobachtungen des Eisenkreislaufs von WASP-76b mit ESPRESSO
▪︎ David Ehrenreich et al., Nature – Nightside condensation of iron in an ultrahot giant exoplanet
▪︎ Arjun B. Savel et al., The Astrophysical Journal – Atmosphärenmodelle und die Hypothese des Eisenregens auf WASP-76b
▪︎ May et al., The Astronomical Journal – Spitzer-Phasenkurven und atmosphärische Zirkulation von WASP-76b
▪︎ T. Azevedo Silva et al., Astronomy & Astrophysics – Nachweis von Barium und weiteren Elementen in WASP-76b und WASP-121b
▪︎ A. R. Costa Silva et al., Astronomy & Astrophysics – Nachweis neutraler Eisenemission auf der Tagseite von WASP-76b