Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Merkmale der Gashülle eines Exoplaneten mit beispielloser Detailtreue enthüllt: im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiters“ WASP-39 b fällt. schimmernd, ihre chemische Zusammensetzung spiegelt sich im Detail wider. Die Daten erlaubten Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte von Sternen. Das nachgewiesene Leistungspotential von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der Exo-Atmosphäre eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.
In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: “Weitere Erkenntnisse könnte das geplante James-Webb-Weltraumteleskop liefern.” Jetzt befinden wir uns in einer neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren sorgen bereits für Aufregung. Sie demonstrierten die gesteigerte Leistungsfähigkeit von JWST im Vergleich zu den bisher verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit einer völlig neuen Detailgenauigkeit zeigen und bessere Lichtspektren aufschlüsseln. Dies sind die Ergebnisse des „Early Release Science Project“, das Teilprojekte umfasst, die zunächst darauf abzielen, die grundlegenden Funktionen und Potenziale von JWST für geplante Forschungszwecke zu erforschen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.
JWST gibt mehr “Perspektive”.
Planet WASP-39b ist das Ziel der Forschungsgruppe, die Teil des Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program ist. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl er nur etwa die Masse des Saturn hat, ist er im Durchmesser 1,3-mal größer als Jupiter. Sein höchstes Niveau hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Weil WASP-39 b seinen Stern in nur vier Erdentagen so eng umkreist. Astronomen wählten ihn für den JWST-Test, weil sich seine aufgeblähte Atmosphäre besonders gut für den Prozess der Transitspektroskopie eignet. Das Verständnis der Beschaffenheit und Zusammensetzung der Gashülle ist durch die „regenbogenartigen Zersetzungen“ von Licht möglich, das durch die Gashülle schimmert, wenn entfernte Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.
Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Im August gaben Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Sie präsentieren nun weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt sind. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektrographischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec sowie NIRISS-SOSS des Webb-Weltraumteleskops über die Zerlegung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Aussagekraft der Ergebnisse.
Nachweis der Photochemie
Ein besonderes Highlight ist die Aufklärung zunächst komplexer Anomalien im Lichtspektrum. Es wurde zu einer Signatur von Schwefeldioxid, das jetzt zum ersten Mal in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Das Besondere daran ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der durch einen photochemischen Prozess ähnlich dem Ozon in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklärten, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußere Schicht der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagiert. Photonen bilden aus reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Anschließend findet eine chemische Reaktion unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) 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.
Einige neue Informationen spiegeln auch die Art der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über den prozentualen Anteil bestimmter Substanzen in der Atmosphäre von WASP-39b mit dem Modell der Planetenentstehung und unserem Wissen über das Sonnensystem lässt den Schluss zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deutet darauf hin, dass die Kollision von Asteroidenvorläufern zur Entstehung von Himmelskörpern geführt hat, erklärten die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff in der Atmosphäre häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet auch darauf hin, dass sich WASP-39b zunächst sehr weit von seinem Stern entfernt gebildet und erst später in dessen nähere Umlaufbahn bewegt hat.
Aufgeregt, die Zukunft zu sehen
Vor allem aber sehen die Wissenschaftler die Bedeutung ihrer Ergebnisse: Sie stellen ihre Erfahrungen mit der Nutzung von JWST in der astronomischen Community zur Verfügung und schlagen ein „Rezept“ für den Umgang mit Datensätzen vor. Dies soll den Einsatz von Teleskopen für Transitbeobachtungen dieser Art erleichtern. „Die neuen Daten zeigen einen Wendepunkt“, betont Natalia Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprojekt koordiniert. Ihre Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg weiter: „Diese ersten Beobachtungen sind eine Vorhersage für weitere Ergebnisse, die mit JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit getestet. frei – besser als wir gehofft hatten”, sagte der Astronom.
Die aktuellen Ergebnisse seien endlich ein Schritt in Richtung des größten Ziels der exo-atmosphärischen Forschung, sagten die Forscher: Die exakte Signatur in der Gashülle könnte eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuelle Untersuchung ist wie ein Test für Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um bei der Suche nach Leben zwischen den atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung von 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.
