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 enthüllt: Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiters“ sickerte, schimmerte WASP – 39 b , deren chemische Zusammensetzung sich im Detail widerspiegelt. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das nachgewiesene Leistungspotential von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der äußeren Atmosphäre eines Tages Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren schlossen viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Beobachtung: “Weitere Informationen können bald vom geplanten James-Webb-Weltraumteleskop geliefert werden.” Wir befinden uns jetzt in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren haben bereits für Aufregung gesorgt. Sie demonstrierten die gesteigerte Leistungsfähigkeit des JWST im Vergleich zu den bis dahin erhältlichen Teleskopen: Es kann viel tiefer in die Welt blicken, astronomische Objekte mit einer völlig neuen Detailgenauigkeit abbilden und Lichtspektren besser auflösen. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegenden Funktionen und Fähigkeiten von JWST für die geplanten Forschungszwecke untersuchen sollten. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST sorgt für mehr “Perspektive”

Der Planet WASP-39b ist das Ziel der Forschungsteams, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program sind. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie „heißer Jupiter“. Obwohl dies nur die Masse des Saturn ist, hat er einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern in etwas mehr als vier Erdentagen sehr nahe. Astronomen wählten es für den JWST-Test, weil seine aufgeblähte Atmosphäre besonders gut für den Prozess der Transitspektroskopie geeignet ist. Informationen über die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle sind durch die “regenbogenartigen Zerfälle” des Lichts möglich, das durch die Gashüllen schimmert, wenn ferne Welten vor ihrem 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. Bereits im August hatten Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b angekündigt. Sie präsentieren nun weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektroskopischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops der chemischen Zusammensetzungsverteilung der Atmosphäre von WASP-39b und der Bedeutung der Ergebnisse.

Elemente der Photochemie

Eine Besonderheit ist die Aufklärung einer zunächst rätselhaften Anomalie im Szintillationslichtspektrum. Es stellte sich heraus, dass es sich um die Signatur von Schwefeldioxid handelt, das jetzt erstmals in einer Exoplanetenatmosphäre 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 Regionen der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Die Photonen bilden aus den 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 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 Stoffanteile 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 zeige, dass die Kollision kleinerer Vorläuferplaneten zur Entstehung des Himmelskörpers geführt habe, erklären die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet auch darauf hin, dass WASP-39b sich zuerst viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und erst später in seine enge Umlaufbahn gewandert ist.

Gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen eine bahnbrechende Bedeutung: Sie teilen ihre Erfahrungen mit JWST mit der astronomischen Community und bieten „Rezepte“ für den Umgang mit den Datensätzen. Dies erleichtert die Nutzung des Teleskops für weitere Transitbeobachtungen dieser Art. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, sagt Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Ihre Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die weiteren 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 erwartet hatten“, sagt der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien letztlich auch ein Schritt in Richtung eines der größten Ziele der Exo-Atmosphärenforschung, sagen die Forscher: Bestimmte Signaturen in den Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuellen Untersuchungen sind wie eine Art Test für die Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. Außerdem sei ein grundlegendes Verständnis von Exoplanetenatmosphären wichtig, um die atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen bei der Suche nach Leben unterscheiden zu können, sagen die 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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