Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie zeigt sein Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Eigenschaften der Gashülle eines Exoplaneten mit nie dagewesener Detailtreue enträtselt: im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ WASP – 39 b. schimmerten, ihre chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das nachgewiesene Leistungspotential des JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Forschung außerhalb der Atmosphäre eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: “Weitere Erkenntnisse werden möglicherweise bald durch das geplante James-Webb-Weltraumteleskop geliefert.” Jetzt befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren haben bereits für Aufregung gesorgt. Sie verdeutlichten die gesteigerte Leistungsfähigkeit des JWST im Vergleich zu den bis dahin verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer ins Weltall blicken, astronomische Objekte mit einer ganz neuen Detailgenauigkeit darstellen und Lichtspektren besser aufschlüsseln. Dies waren Ergebnisse des „Early Release Science Program“, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial des JWST für seine geplanten Forschungszwecke untersuchen sollen. 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 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. 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. Die Astronomen wählten ihn zum Testen des JWST aus, weil sich seine aufgequollene Atmosphäre besonders gut für das Verfahren der Transitspektroskopie eignet. Einblicke in die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle sind durch die “regenbogenartigen Zerfälle” des Lichts möglich, das durch die Gashüllen flimmert, wenn die fernen Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community beobachteten mit dem JWST von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b. Bereits im August gaben die Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über die 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.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Erklärung einer zunächst verwirrenden Anomalie im Spektrum des leuchtenden Lichts. Es stellte sich heraus, dass es sich um die Signatur von Schwefeldioxid handelte, das jetzt erstmals in einer extraplanetaren Atmosphäre 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 Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußersten Bereiche der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Die Photonen bilden aus den reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) finden dann chemische Reaktionen statt, 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 Stoffanteile in der Atmosphäre von WASP-39b mit Planetenentstehungsmodellen und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen die 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 ihrer Meinung nach auch darauf hin, dass WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt entstanden und erst später in seine nahe gelegene Umlaufbahn gewandert ist.

Ein gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen wegweisende Bedeutung: Sie stellen ihre Erfahrungen mit der Nutzung des JWST der astronomischen Gemeinschaft 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 Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das aktuelle 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 dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop passiert und seine Leistung getestet. kostenlos – noch besser als wir gehofft haben”, sagt der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien schließlich auch ein Schritt auf dem Weg zu einem der größten Ziele der exo-atmosphärischen Forschung, 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 bei der Suche nach Leben zwischen den atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen 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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