Webb enthüllt eine Exoplaneten-Atmosphäre, wie sie noch nie zuvor gesehen wurde

Das NASA/ESA/CSAJames Webb Space Telescope hat gerade eine weitere Premiere erzielt: ein molekulares und chemisches Profil des Himmels einer fernen Welt.

image: esawebb.org

Das NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope hat gerade eine weitere Premiere erzielt: ein molekulares und chemisches Porträt des Himmels einer fernen Welt. Während Webb und andere Weltraumteleskope, einschließlich des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble, zuvor isolierte Bestandteile der Atmosphäre dieses aufgeheizten Planeten entdeckt haben, bieten die neuen Messwerte ein vollständiges Menü von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken. Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Wolken aus der Nähe aussehen könnten: eher gebrochen als eine einzige, einheitliche Decke über dem Planeten.

Die hochempfindlichen Instrumente des Teleskops wurden auf die Atmosphäre von WASP-39 b gerichtet, einem „heißen Saturn“ (ein Planet, der etwa so massereich wie Saturn ist, aber eine engere Umlaufbahn als Merkur hat), der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist. Dieser saturngroße Exoplanet war einer der ersten, der vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA untersucht wurde, als es seinen regulären wissenschaftlichen Betrieb aufnahm. Die Ergebnisse haben die Exoplaneten-Wissenschaftsgemeinschaft begeistert. Die äußerst empfindlichen Instrumente von Webb haben ein Profil der atmosphärischen Bestandteile von WASP-39 b erstellt und eine Fülle von Inhalten identifiziert, darunter Wasser, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Natrium und Kalium. 

Die Ergebnisse verheißen Gutes für die Fähigkeit von Webbs Instrumenten, das breite Spektrum an Untersuchungen von Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen, die von der Wissenschaftsgemeinschaft erhofft werden. Dazu gehört auch die Untersuchung der Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

„Wir haben den Exoplaneten mit mehreren Instrumenten beobachtet, die zusammen einen breiten Bereich des Infrarotspektrums und eine Reihe chemischer Fingerabdrücke abdecken, die bis JWST unzugänglich waren“, sagte Natalie Batalha, Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die zur Koordination beigetragen und geholfen hat die neue Forschung. „Daten wie diese sind ein Game Changer.“

Die Reihe der Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neuen wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, von denen drei im Druck sind und zwei derzeit überprüft werden. Zu den beispiellosen Enthüllungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten, einem Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht des Muttersterns des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde entsteht auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre.

„Dies ist das erste Mal, dass wir konkrete Beweise für die Photochemie – chemische Reaktionen, die durch energiereiches Sternlicht ausgelöst werden – auf Exoplaneten gesehen haben“ , erklärt Shang-Min Tsai, Forscher an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich und Hauptautor der Abhandlung den Ursprung von Schwefeldioxid in der Atmosphäre von WASP-39 b. „Ich sehe dies als eine wirklich vielversprechende Perspektive, um unser Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten mit [dieser Mission] voranzutreiben.“

Dies führte zu einer weiteren Premiere: Wissenschaftler wendeten Computermodelle der Photochemie auf Daten an, die eine vollständige Erklärung dieser Physik erfordern. Die daraus resultierenden Verbesserungen bei der Modellierung werden dazu beitragen, das technologische Know-how aufzubauen, das erforderlich ist, um potenzielle Anzeichen für Bewohnbarkeit in der Zukunft zu interpretieren.

„Planeten werden geformt und transformiert, indem sie im Strahlungsbad des Wirtssterns umkreisen“, sagte Batalha. „Auf der Erde lassen diese Transformationen das Leben gedeihen.“

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur an unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Muttersternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte zu einem tieferen Verständnis darüber führen, wie sich diese Prozesse auf die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten auswirken.

Andere atmosphärische Bestandteile, die vom Webb-Teleskop entdeckt wurden, umfassen Natrium (Na), Kalium (K) und Wasserdampf (H2O), was frühere weltraum- und bodengestützte Teleskopbeobachtungen bestätigt und zusätzliche Fingerabdrücke von Wasser bei diesen längeren Wellenlängen findet. das hat man noch nie gesehen.

Webb sah auch Kohlendioxid (CO2) mit höherer Auflösung und lieferte doppelt so viele Daten wie aus früheren Beobachtungen. Währenddessen wurde Kohlenmonoxid (CO) nachgewiesen, aber offensichtliche Signaturen von Methan (CH4) und Schwefelwasserstoff (H2S) fehlten in den Webb-Daten. Falls vorhanden, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor.

Um dieses breite Spektrum der Atmosphäre von WASP-39 b zu erfassen, analysierte ein internationales Team mit Hunderten unabhängig voneinander Daten von vier der fein kalibrierten Instrumentenmodi des Webb-Teleskops.

„Wir hatten vorhergesagt, was [das Teleskop] uns zeigen würde, aber es war präziser, vielfältiger und schöner, als ich es mir eigentlich vorgestellt hatte“, sagte Hannah Wakeford, Astrophysikerin an der University of Bristol im Vereinigten Königreich der die Atmosphären von Exoplaneten untersucht.

Eine so vollständige Liste chemischer Inhaltsstoffe in einer Exoplanetenatmosphäre zu haben, gibt Wissenschaftlern auch einen Einblick in die Fülle verschiedener Elemente im Verhältnis zueinander, wie z. B. das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff oder Kalium zu Sauerstoff. Das wiederum gibt Aufschluss darüber, wie sich dieser Planet – und vielleicht auch andere – in jungen Jahren aus der Scheibe aus Gas und Staub gebildet hat, die den Mutterstern umgab.

Das chemische Inventar von WASP-39 b deutet auf eine Geschichte von Zertrümmerungen und Verschmelzungen kleinerer Körper hin, die als Planetesimale bezeichnet werden, um schließlich einen Goliath von einem Planeten zu schaffen.

„Die Fülle an Schwefel [im Vergleich zu] Wasserstoff deutet darauf hin, dass der Planet vermutlich eine erhebliche Ansammlung von Planetesimalen erlebt hat, die [diese Inhaltsstoffe] in die Atmosphäre abgeben können“, sagte Kazumasa Ohno, ein Exoplanetenforscher der UC Santa Cruz, der an Webb-Daten arbeitete. „Die Daten zeigen auch, dass der Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als der Kohlenstoff. Dies deutet möglicherweise darauf hin, dass sich WASP-39 b ursprünglich weit entfernt vom Zentralstern gebildet hat.

Durch die präzise Enthüllung der Details einer Exoplanetenatmosphäre haben die Instrumente des Webb-Teleskops die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der breiten Vielfalt von Exoplaneten in der Galaxie.

„Wir werden in der Lage sein, das Gesamtbild der Atmosphären von Exoplaneten zu sehen“, sagte Laura Flagg, Forscherin an der Cornell University und Mitglied des internationalen Teams. „Es ist unglaublich aufregend zu wissen, dass alles neu geschrieben wird. Das ist einer der besten Aspekte des Wissenschaftlerdaseins.“

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