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 entdeckt: im Licht, das durch die Atmosphäre des “Hot Jupiter” WASP -39 b strömt . es leuchtete, seine chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail wider. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das nachgewiesene Leistungspotential des JWST lässt nun auf spannende neue Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der Exoatmosphäre eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.
In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit dem Kommentar: “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 Leistungssteigerung des JWST im Vergleich zu bisher verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit einer ganz neuen Detailgenauigkeit abbilden und Lichtspektren besser aufschlüsseln. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial des JWST für die geplanten Forschungszwecke erforschen sollten. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.
Der 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 befindet sich 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. Seine extreme Ausdehnung 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 des JWST, 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 scheint, wenn entfernte Welten vor seinem Wirtsstern vorbeiziehen.
Astronomen der Transit-Exoplaneten-Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier separate Transite von WASP-39b zu beobachten. Im August hatten Wissenschaftler bereits den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b angekündigt. Jetzt präsentieren sie weitere Ergebnisse, die auf fünf Beiträge aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den spektrographischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, über die Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und über die Aussagekraft der Ergebnisse.
Beweise aus der Photochemie
Ein besonderes Highlight ist die Aufklärung einer zunächst rätselhaften Auffälligkeit im hellen Lichtspektrum. Es stellte sich heraus, dass es sich um die Signatur von Schwefeldioxid handelt, das jetzt erstmals in einer Exoplanetenatmosphäre nachgewiesen wurde. Das Besondere 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 Ränder der Atmosphäre des Exoplaneten mit energiereicher Strahlung des Sterns interagieren. Die Photonen bilden aus den reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Es kommt dann zu chemischen Reaktionen unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S), die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist die erste eindeutige Photochemikalie, die in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde, schreiben die Wissenschaftler.
Einige der neuen Informationen spiegeln sogar Aspekte der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über bestimmte Anteile von Substanzen in der Atmosphäre von WASP-39b mit Modellen der Planetenentstehung und Erkenntnissen über unser Sonnensystem ermöglicht es uns, Schlussfolgerungen zu ziehen 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 sich WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und erst später als nächstes in seine Umlaufbahn gewandert ist
Gespannter Blick in die Zukunft
Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen eine innovative Bedeutung: Sie stellen der astronomischen Community ihre Erfahrungen mit dem JWST zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für den Umgang mit den Datensätzen an. Dies sollte es einfacher machen, das Teleskop für weitere solche Transitbeobachtungen zu verwenden. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Seine Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese ersten Beobachtungen sind eine Vorschau auf all die zusätzlichen Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf die Probe gestellt und seine Leistungsfähigkeit getestet. Die Beobachtungen.“ waren fast fehlerfrei, sogar besser als wir erwartet hatten”, sagt der Astronom.
Letztlich seien die aktuellen Ergebnisse 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 Formen außerirdischen Lebens liefern Die aktuellen Untersuchungen sind eine Art Test der Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art von Forschung 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 Artikelserie veröffentlicht.
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