Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Merkmale der Gashülle des Exoplaneten in beispielloser Detailtreue in Lichtstrahlen enthüllt, die durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ strömen. WASP-39 b leuchtete und detailliert ihre chemische Zusammensetzung. Die Daten ermöglichten Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar die Geschichte der Planetenentstehung. Die von JWST demonstrierten Leistungsfähigkeiten lassen nun auf spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler glauben, dass das Studium der Exo-Atmosphäre eines Tages Leben beweisen könnte.

Viele Berichte über astronomische Entdeckungen der letzten Jahre endeten mit der Bemerkung: “Das geplante James-Webb-Weltraumteleskop wird bald weitere Informationen liefern.” Jetzt befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die Mitte Juli 2022 veröffentlichten ersten Bilder und Spektren sind bereits spannend. Sie zeigen, dass die Leistungsfähigkeit des JWST den bisher verfügbaren Teleskopen überlegen ist: Es kann tiefer in den Weltraum blicken, astronomische Objekte mit einer völlig neuen Detailgenauigkeit abbilden und das Lichtspektrum besser zerlegen. Sie waren das Ergebnis des Early Release Science Program, das Unterprojekte zur Erforschung der Kernfunktionen und Fähigkeiten von JWST umfasste. Das Wichtigste ist, die Atmosphäre von Exoplaneten zu studieren.

JWST bietet mehr “Perspektive”.

WASP-39b ist das Ziel von Forschungsgruppen, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program sind. Er ist 700 Lichtjahre entfernt und wird als “heißer Jupiter” klassifiziert. Obwohl es nur etwa die Masse von Saturn hat, ist es im Durchmesser 1,3-mal größer als Jupiter. Seine übermäßige Größe ist mit einer Temperatur von etwa 900 Grad verbunden. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern in etwas mehr als vier Erdentagen sehr nah. Astronomen wählten JWST zum Testen, weil seine Atmosphäre besonders gut für transitspektroskopische Prozesse geeignet ist. Das Verständnis der Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle ist durch den “Regenbogenstoß” des Lichts möglich, der durch die Gashülle blitzt, wenn ferne Welten vor ihrem Stern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Bereits im August gaben Wissenschaftler die Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Sie präsentieren nun weitere Ergebnisse, aufgeteilt in fünf Publikationen. Sie berichten über die Bedeutung der Ergebnisse einer Studie mit den spektrografischen Instrumenten NIRCam, NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, bei der die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b analysiert wurde.

Photochemische Beweise

Höhepunkt ist die Aufklärung der urtümlich überraschenden Anomalie des Glimmlichtspektrums. Es stellt sich nun als die erste Signatur von Schwefeldioxid heraus, die in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt wurde. Es ist durch einen Stoff gekennzeichnet, der in der Erdatmosphäre durch einen photochemischen Prozess ähnlich dem Ozon entsteht. Die Forscher erklären, dass Schwefeldioxidmoleküle entstehen, wenn der äußere Teil der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagiert. Photonen erzeugen aus großen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Dann findet in Gegenwart von Schwefelwasserstoff (H2S) eine chemische Reaktion statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führt. „Dies ist das erste eindeutige photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde“, schrieben die Wissenschaftler.

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Einige der neuen Informationen decken sogar Aspekte der Planetenentstehung ab: Die Kombination von Informationen über bestimmte Materieanteile in der Atmosphäre von WASP-39b mit Planetenentstehungsmodellen und Erkenntnissen über unser eigenes Sonnensystem lässt Rückschlüsse zu. Insbesondere die Verhältnisse von Kohlenstoff-Sauerstoff, Kalium-Sauerstoff und Schwefel-Wasserstoff deuten darauf hin, dass die Kollision kleiner planetarer Vorläufer zur Entstehung von Himmelskörpern führte, erklärten die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass die Atmosphäre viel mehr Sauerstoff als Kohlenstoff enthält, deutet darauf hin, dass sich WASP-39b zuerst viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet und später in eine nähere Umlaufbahn bewegt hat, sagten sie.

Ein enthusiastischer Blick in die Zukunft

Das Wichtigste sind den Wissenschaftlern jedoch ihre Ergebnisse: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Community zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für die Arbeit mit dem Datensatz. Dies wird es künftig einfacher machen, Teleskope für solche Transitbeobachtungen einzusetzen. „Die neuen Daten deuten auf einen Wendepunkt hin“, betont Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Laura Kreidberg, Kollegin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, ergänzt: „Diese ersten Beobachtungen sind eine Vorschau auf alle Ergebnisse, die vom JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop beschleunigt und seine Leistung getestet. frei und besser als wir erwartet haben“, sagte der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien letztlich ein Schritt in Richtung eines der größten Ziele der Exo-Atmosphärenforschung, sagen die Forscher: Eine deutliche Signatur in der Gashülle könnte eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuelle Untersuchung ist ein Test von Beobachtungstechniken, die in Zukunft für diese Art der Suche verwendet werden können. Darüber hinaus sagen Astronomen, dass ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten bei der Suche nach Leben wichtig ist, um die Eigenschaften der Atmosphären von Exoplaneten mit und ohne Anwesenheit lebender Organismen zu unterscheiden.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Ergebnisse wurden in einer Serie von fünf Artikeln am 22. November 2022 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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