Neue Theorie für die Erforschung von Exoplaneten

Dr. Leonardos Gkouvelis, Wissenschaftler an der Universitätssternwarte München der LMU und Mitglied im Exzellenzcluster ORIGINS, hat ein grundlegendes mathematisches Problem gelöst, das die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten jahrzehntelang erschwert hat. Im Fachmagazin The Astrophysical Journal präsentiert Gkouvelis die erste geschlossene analytische Theorie der Transmissionsspektroskopie, die berücksichtigt, wie sich die Trübung einer Atmosphäre mit dem Druck verändert – ein Effekt, der bei der Erforschung realer Atmosphären von entscheidender Bedeutung ist, aber bislang als mathematisch unlösbar galt.

Über 30 Jahre lang basierten analytische Modelle auf einer „vereinfachten” Atmosphäre, da eine vollumfängliche mathematische Darstellung die Lösung einer komplexen geometrischen Integralgleichung unter Berücksichtigung der höhenabhängigen Lichtdurchlässigkeit erfordert – ein Problem, das bislang nur mithilfe aufwendiger numerischer Simulationen gelöst werden konnte. Diese Einschränkung verschleierte jedoch, wie die tatsächliche vertikale Struktur einer Atmosphäre die von Teleskopen beobachteten Signale verändert.

Das neue Modell liefert wichtige Erkenntnisse darüber, warum viele Exoplaneten-Atmosphären „gedämpfte“ Spektralmerkmale aufweisen, verbindet Labordaten zur Molekülphysik direkt mit astronomischen Beobachtungen und verbessert die Übereinstimmung mit realen Daten erheblich – sowohl für die Erdatmosphäre als auch für hochpräzise Beobachtungen von Exoplaneten.

Über seinen grundlegenden Wert hinaus kommt dieser Durchbruch zu einem entscheidenden Zeitpunkt: Teleskope wie das James-Webb-Weltraumteleskop liefern mittlerweile Spektren mit beispielloser Präzision, und theoretische Überlegungen waren bisher der größte Engpass bei der Gewinnung ihrer vollständigen physikalischen Informationen. „Diese analytische Lösung öffnet die Tür zu einer neuen Generation von viel schnelleren, transparenteren und realistischeren Methoden zur Analyse und Erfassung der Atmosphäre“, sagt der LMU-Physiker. „Sie werden für die Maximierung wissenschaftlicher Erkenntnisse aktueller und zukünftiger Missionen wie JWST und ARIEL sowie für die detaillierte Charakterisierung potenziell bewohnbarer Welten außerhalb des Sonnensystems von entscheidender Bedeutung sein.“

Leonardos Gkouvelis: A Closed-Form Analytical Theory of Non-Isobaric Transmission Spectroscopy for Exoplanet Atmospheres. The Astrophysical Journal 2026