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 Gasmantels des Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue enthüllt: Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ strömte, flackerte WASP -39 b , wurde ihre chemische Zusammensetzung im Detail widergespiegelt. 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 Exo-Atmosphäre eines Tages Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: “Weitere Erkenntnisse könnten bald durch das geplante 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 verdeutlichten die gesteigerte Leistung des JWST im Vergleich zu den bis dahin erhältlichen Teleskopen: Es konnte viel tiefer in den Kosmos 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 ursprünglich dazu bestimmt waren, die grundlegende Funktionalität und das Potenzial von JWST für die beabsichtigten Forschungszwecke zu erforschen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST sorgt für mehr “Perspektive”

Der Planet WASP-39b ist das Ziel der Forschungsgruppen, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program sind. 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 extremer Grad 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 am JWST aus, weil seine aufgeblähte Atmosphäre besonders für den Prozess der Transitspektroskopie geeignet ist. Einblicke in die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle sind durch die “regenbogenartigen Lichtblitze” möglich, die durch die Gashüllen flackern, 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 gaben Wissenschaftler die Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt sind. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektrografischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec sowie NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, die Zerlegung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse.

Beweise für Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Aufklärung einer zunächst rätselhaften Anomalie im flimmernden Lichtspektrum. Es stellte sich als Signatur für 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 durch photochemische Prozesse in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen die Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußersten Bereiche 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 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 Stoffverhältnisse 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 deutet darauf hin, dass die Kollision kleinerer planetarer Vorläufer zur Entstehung des Himmelskörpers geführt hat, erklären die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet auch darauf hin, dass WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt entstanden und erst später in seine nahe Umlaufbahn gewandert ist.

Ein gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen revolutionäre Bedeutung: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Community zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für den Umgang mit den Datensätzen. Dies soll die Nutzung des Teleskops für weitere Transitbeobachtungen dieser Art erleichtern. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batala von der University of California in Santa Cruz, die das laufende Beobachtungsprogramm koordiniert hat. 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 gehofft 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 aktuelle Forschung ist eine Art Test von Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um zwischen den atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen bei der Suche nach Leben unterscheiden zu können, sagen Astronomen.

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

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