Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Die fortschrittlichste Vision der Astronomie beweist ihr Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Eigenschaften der Gashülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue enthüllt: WASP-39 b, der durch die Atmosphäre scheint, ihre chemische Zusammensetzung wurde im Detail offenbart. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und auch auf die Geschichte der Planetenentstehung zu. Die Leistungsfähigkeit von JWST verspricht nun weitere spannende Anwendungen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der Exo-Atmosphäre eines Tages den Beweis für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren enden viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit dem Kommentar: „Weitere Erkenntnisse könnten bald durch das geplante James-Webb-Weltraumteleskop geliefert werden“. 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 demonstrierten die Leistungssteigerung des JWST im Vergleich zu bestehenden Teleskopen: Es kann viel tiefer ins Universum blicken, astronomische Objekte mit einem völlig neuen Detaillierungsgrad enthüllen und Lichtspektren besser aufschlüsseln. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, um zunächst die grundlegenden Funktionen und Fähigkeiten von JWST für die geplanten Forschungszwecke zu untersuchen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST liefert mehr “Theorie”.

Der Planet WASP-39b ist das Ziel von 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 Temperatur liegt bei 900 Grad Celsius. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, in nur vier Erdentagen. Astronomen wählten ihn für die JWST-Sonde, weil sich seine diffuse Umgebung besonders gut für den Prozess der Transitspektroskopie eignet. Informationen über die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle sind durch die „regenbogenartigen Zerlegungen“ von Licht möglich, die durch die Gashülle scheinen, wenn die ferne Welt vor ihrem Wirtsstern vorbeizieht.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um von Mitte bis Mitte Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Bereits im August hatten Wissenschaftler die Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt gegeben. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über die Forschung mit den spektrographischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und dem Netzteleskop NIRISS-SOSS, über die Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Beschreibung einer zunächst überraschenden Anomalie im Lichtspektrum. Dies entpuppte sich als Hinweis auf Schwefeldioxid, das nun erstmals in einer Exoplanetenatmosphäre entdeckt wurde. Das Besondere ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon durch einen photochemischen Prozess in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Bereiche der Atmosphäre eines Exoplaneten mit hochenergetischer Strahlung von Sternen interagieren. Photonen bilden aus reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Unter Zugabe von Schwefelwasserstoff (H2S) findet dann eine chemische Reaktion statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führt. „Dies ist das erste obskure photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt wurde“, schreibt der Wissenschaftler.

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Einige neue Informationen offenbaren auch Aspekte der Planetenentstehung: Die Kombination von Informationen über bestimmte Stoffverhältnisse in der Atmosphäre von WASP-39b mit Modellen der Erdentstehung und unseres Sonnensystems lassen Rückschlüsse zu. Insbesondere die Verhältnisse von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deuten darauf hin, dass die Kollision kleiner Erdvorläufer zur Entstehung des Himmelskörpers geführt hat, erklären die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet darauf hin, dass WASP-39b ursprünglich weit entfernt von seinem Stern entstanden und erst später in seine engste Umlaufbahn gedriftet ist.

Ein spannender Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen Wissenschaftler die grundlegende Bedeutung ihrer Ergebnisse: Sie stellen ihre Experimente mit JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und bieten „Tricks“ zum Umgang mit dem Datensatz an. Dies sollte es einfacher machen, das Teleskop für weitere Transitbeobachtungen dieser Art zu verwenden. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batala 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 frühen Beobachtungen sind eine Vorschau auf all die Fortschritte, 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 Experte.

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Die aktuellen Ergebnisse seien schließlich auch ein Schritt auf dem Weg zu einem großen Ziel der Exo-Atmosphärenforschung, sagen die Forscher: Einige Signaturen in den Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf Lebensformen außerhalb geben. Die aktuelle Forschung ist eine Art Test für Beobachtungstechniken, die in zukünftigen Forschungen dieser Art verwendet werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Umgebung von Exoplaneten erforderlich, um zwischen den Eigenschaften der Umgebung von Exoplaneten und der Beteiligung von Leben an 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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