Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit Hilfe des neuen James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben Astronomen die Eigenschaften der Gashülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue entschlüsselt: Im Licht, das durch die Atmosphäre des “heißen Jupiters” WASP – 39 b. glitzerten, ihre chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail wieder. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das nachgewiesene Leistungspotential von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Laut Wissenschaftlern könnte die Erforschung der Exo-Atmosphäre eines Tages Hinweise auf Leben liefern.

In den letzten Jahren schlossen viele astronomische Entdeckungsberichte mit dem Hinweis: “Das geplante James-Webb-Weltraumteleskop könnte bald zusätzliche Erkenntnisse liefern.” Wir befinden uns nun in dieser neuen Ära der Astronomie: Die Mitte Juli 2022 veröffentlichten ersten Bilder und Spektren haben bereits für Aufregung gesorgt. Sie verdeutlichten die Leistungssteigerung des JWST im Vergleich zu bis dahin verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit einem ganz neuen Detailreichtum abbilden und Lichtspektren besser zerlegen. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die ursprünglich darauf abzielten, die grundlegenden Funktionen und das Potenzial von JWST für die beabsichtigten Forschungszwecke zu erforschen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

JWST bietet mehrere “Perspektiven”.

Der Planet WASP-39b ist das Ziel von Forschungsgruppen, die Teil des Early Release Science Program Transiting Exoplanet Community sind. Er ist etwa 700 Lichtjahre 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 Ausdehnung 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 seine aufgeblähte Atmosphäre besonders gut für den Prozess der Transitspektroskopie geeignet ist. Wir können Einblick in die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Gashülle durch die regenbogenartigen Lichtzerfälle gewinnen, die durch die Gashülle scheinen, wenn entfernte Welten vor dem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Wissenschaftler gaben im August bekannt, dass sie Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b entdeckt hatten. Weitere Ergebnisse werden nun präsentiert, aufgeteilt in fünf Publikationen. Darin berichten sie über die mit den spektrographischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops durchgeführten Tests, die Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Aussagekraft der Ergebnisse.

Nachweis aus photochem

Besonders hervorzuheben ist die Aufklärung einer zunächst mysteriösen Störung im Spektrum des funkelnden Lichts. Es stellt sich heraus, dass dies eine Eigenschaft von Schwefeldioxid ist, das gerade zum ersten Mal in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Seine Besonderheit ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon in der Erdatmosphäre bei photochemischen Prozessen entsteht. Den Forschern zufolge 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). Dann finden unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) chemische Reaktionen statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist das erste klare photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde“, schreiben die Wissenschaftler.

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Einige der neuen Informationen spiegeln sogar Aspekte der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über bestimmte Materialanteile in der Atmosphäre von WASP-39b mit Planetenentstehungsmodellen 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 Sauerstoff viel häufiger in der Atmosphäre vorkommt als Kohlenstoff, deutet auch 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 gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse als wegweisend: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Community zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für die Verwaltung von Datensätzen. Dies erleichtert die Verwendung des Teleskops für weitere solche Transitbeobachtungen. „Die neuen Daten sind ein Wendepunkt“, betont Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Überwachungsprogramm koordiniert hat. Seine Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf alle weiteren Ergebnisse, die mit JWST kommen werden. Wir haben das Zielfernrohr auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit getestet. Die Beobachtungen waren nahezu fehlerfrei – sogar besser als wir gehofft hatten“, sagt 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: Bestimmte Spuren der Gashülle könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuellen Untersuchungen sind eine Art Test der Überwachungstechniken, die bei zukünftigen Durchsuchungen dieser Art eingesetzt werden können. Darüber hinaus seien grundlegende Kenntnisse der Atmosphäre eines Exoplaneten wichtig, um bei der Suche nach Leben zwischen den atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen unterscheiden zu können, sagen Astronomen.

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

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