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 des gasförmigen Mantels eines Exoplaneten in nie dagewesenem Detail entdeckt: im Licht der Atmosphäre des „heißen Jupiters“ WASP -39 b fließt. Das Leuchten, ihre chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail wieder. Diese Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Geschichte der Planetenentstehung zu. Das nachgewiesene Leistungspotential von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Forschung in der äußeren Atmosphäre eines Tages Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit dem Satz: “Das James-Webb-Weltraumteleskop wird bald mehr Einblicke liefern.” Wir befinden uns jetzt in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren sorgen bereits für Aufregung. Sie demonstrierten die gesteigerte Leistung des JWST im Vergleich zu bestehenden Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos 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 ursprünglich dazu bestimmt waren, die grundlegenden Fähigkeiten und das Potenzial von JWST für seine geplanten Forschungsziele zu erforschen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST bietet mehr “Perspektive”.

Der Planet WASP-39b ist das Ziel von Forschungsgruppen, die Teil der Exoplanet Society sind und das Early Release Science Program durchlaufen. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Kunden“. Obwohl er nur so massereich wie Saturn ist, hat er einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt mit der Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr nahe in weniger als vier Erdentagen. Astronomen wählten ihn für das JWST-Experiment, weil sich seine aufgeblähte Atmosphäre besonders gut für das Verfahren der Transmissionsspektroskopie eignet. Das Verständnis der Eigenschaften und Zusammensetzung des Gasmantels ist durch die „regenbogenartigen Lichtblitze“ möglich, die durch den Gasmantel scheinen, wenn entfernte Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Society nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Im August berichteten Wissenschaftler zuvor über die Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Jetzt präsentieren sie weitere Ergebnisse, aufgeteilt in fünf Publikationen. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektroskopischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec sowie NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, bei denen sie die atmosphärische chemische Zusammensetzung von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse analysierten.

Photochemische Beweise

Der Höhepunkt ist die Beleuchtung einer rätselhaften anfänglichen Anomalie im hellen Lichtspektrum. Es stellte sich als Signatur von Schwefeldioxid heraus, das nun erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Das Besondere daran ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon in der Erdatmosphäre durch photochemische Prozesse entsteht. 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). Dann treten chemische Reaktionen unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) auf, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist das erste eindeutige photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt 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 Modellen der Planetenentstehung und Erkenntnissen über unser eigenes Sonnensystem lassen Rückschlüsse zu. Insbesondere die Verhältnisse von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff weisen darauf hin, dass die Kollision kleinerer planetarer Vorläufer zur Entstehung von Himmelskörpern führte. Insbesondere die Tatsache, dass die Atmosphäre viel mehr Sauerstoff als Kohlenstoff enthält, deutet darauf hin, dass WASP-39b sich zuerst weit entfernt von seinem Stern gebildet hat und später in seine nahe Umlaufbahn gewandert ist.

Blicken Sie gespannt in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen eine bahnbrechende Bedeutung: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und liefern „Rezepte“ für den Umgang mit dem Datensatz. Dies sollte es einfacher machen, das Teleskop für weitere Transitbeobachtungen dieser Art zu verwenden. „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 alle anderen Ergebnisse, die mit JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop 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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Nach Ansicht der Forscher sind die aktuellen Ergebnisse endlich ein Schritt in Richtung eines der größten Ziele der Erforschung der äußeren Atmosphäre: Einige Signaturen in Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuelle Forschung dient als Testfall für Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist laut Astronomen ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um zwischen den atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung von Organismen bei der Suche nach Leben unterscheiden zu können.

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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