Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Eigenschaften der Gashülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue entschlüsselt: „heißer Jupiter“ WASP -39 b im Licht, das aus seiner Atmosphäre strömt. glänzten, ihre chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail wider. Die bereits gewonnenen Informationen ließen Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das von JWST gezeigte Leistungspotential lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass Studien der Exoatmosphäre eines Tages Beweise für Leben liefern könnten.

In den letzten Jahren endeten viele Ankündigungen über astronomische Entdeckungen mit dem Hinweis: „Das vorgeschlagene James-Webb-Weltraumteleskop könnte bald mehr Erkenntnisse liefern.“ Nun befinden wir uns in einer neuen Ära der Astronomie: Bereits die Mitte Juli 2022 veröffentlichten ersten Bilder und Spektren sorgten für Aufregung. Sie veranschaulichten die überlegene Leistung von JWST im Vergleich zu bisher verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Weltraum blicken, astronomische Objekte mit einer völlig neuen Detailgenauigkeit abbilden und Lichtspektren besser zerlegen. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die darauf ausgelegt sind, zunächst die grundlegenden Funktionen und das Potenzial von JWST für beabsichtigte Forschungszwecke zu untersuchen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

JWST bietet mehr “Perspektive”

WASP-39b ist das Ziel von Forschungsteams des Early-Release-Wissenschaftsprogramms der Transiting Exoplanet Community. Er befindet sich etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl er nur etwa die Masse des Saturn hat, beträgt sein Durchmesser das 1,3-fache des Jupiters. Seine extreme Reichweite hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, in etwas mehr als vier Erdentagen. Astronomen wählten es zum Testen des JWST, weil sich seine aufgeblähte Atmosphäre besonders gut für den Prozess der Transitspektroskopie eignet. Einblicke in die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle lassen sich aus den „regenbogenartigen Zerfällen“ des Lichts gewinnen, das durch die Gashülle scheint, wenn ferne Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um zwischen Mitte Juli und Ende Juli 2022 vier separate Transite von WASP-39b zu beobachten. Bereits im August hatten Wissenschaftler über den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b berichtet. Sie präsentieren nun weitere Ergebnisse, aufgeteilt in fünf Publikationen. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektrografischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, die Zerlegung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse.

Photochemische Beweise

Ein besonderes Highlight ist die Erklärung einer zunächst rätselhaften Anomalie im hellen Lichtspektrum. Es stellte sich heraus, dass es sich um eine Signatur von Schwefeldioxid handelt, das jetzt zum ersten Mal in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Seine Besonderheit besteht darin, dass es sich um eine Substanz handelt, die in der Erdatmosphäre bei photochemischen Prozessen ähnlich wie Ozon gebildet wird. Wie die Forscher erklären, entstehen die Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Teile der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Photonen bilden aus reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) finden dann chemische Reaktionen statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist das erste eindeutige photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde“, schreiben die Forscher.

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Einige der neuen Informationen spiegeln sogar Aspekte der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über bestimmte Stoffverhältnisse in der Atmosphäre von WASP-39b mit Modellen der Planetenentstehung und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen Rückschlüsse zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deutet darauf hin, dass die Kollision kleinerer planetarer Vorläufer zur Entstehung des Himmelskörpers geführt hat, erklären die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass die Atmosphäre viel mehr Sauerstoff als Kohlenstoff enthält, deutet darauf hin, dass sich WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und erst später in seine nahe Umlaufbahn gewandert ist.

Ein spannender Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Forscher ihre Ergebnisse als wegweisend: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Community zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für den Umgang mit den Datensätzen. Dies sollte die Verwendung des Teleskops für solche zukünftigen Transitbeobachtungen erleichtern. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Seine Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die zukünftigen Ergebnisse, die mit JWST zu erwarten sind. Wir sind durch das Teleskop gegangen und haben seine Leistung getestet. Die Beobachtungen waren nahezu fehlerfrei – noch besser als wir gehofft haben”, sagt der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien endlich ein Schritt in Richtung eines der größten Ziele bei der Erforschung der Exoatmosphäre, sagen die Forscher: Bestimmte Signaturen in den Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdisches Leben liefern. Die aktuellen Untersuchungen sind eine Art Test für Beobachtungstechniken, die bei zukünftigen Suchen dieser Art verwendet werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis von Exoplanetenatmosphären wichtig, um die Eigenschaften von Exoplanetenatmosphären mit und ohne Beteiligung lebender Organismen bei der Suche nach Leben zu unterscheiden, sagen Astronomen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Ergebnisse wurden in einer fünfteiligen Artikelserie am 22. November 2022 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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