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 der Gashülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue enthüllt: im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ WASP -39 strömt b funkelten, ihre chemische Zusammensetzung spiegelte sich im Detail wieder. 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. Die Erforschung der Exo-Atmosphäre könnte eines Tages auch Beweise für Leben liefern, sagen Wissenschaftler.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit dem Hinweis: “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 zerlegen. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial von JWST für geplante Forschungszwecke erforschen sollten. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST sorgt für mehr “Perspektive”

WASP-39b ist das Ziel von Forschungsgruppen, die Teil der Transit-Exoplaneten-Community des Early Release Science Program sind. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl es nur die Masse von Saturn ist, hat es einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Reichweite hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39b umkreist seinen Stern sehr eng, in etwas mehr als vier Erdentagen. Astronomen wählten es zum Testen des JWST, weil sich seine aufgeblähte Atmosphäre besonders für den Prozess der Transitspektroskopie eignet. Einblicke in die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gashülle sind durch die „Regenbogenausbrüche“ des Lichts möglich, die durch die Gashüllen flackern, wenn ferne Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transit-Exoplaneten-Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Im August gaben 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 Forschung mit den spektrographischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, über die Zerlegung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und über die Bedeutung der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Aufklärung einer zunächst mysteriösen Anomalie im Spektrum des funkelnden Lichts. Es stellte sich als Signatur für Schwefeldioxid heraus, das nun erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Die Besonderheit ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon durch photochemische Prozesse in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Wissenschaftler erklären, entstehen die Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Teile der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Photonen bilden aus reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Dann gibt es chemische Reaktionen unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S), die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist das erste klare 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 lege nahe, dass die Kollision kleinerer planetarer Vorläufer zur Entstehung des Himmelskörpers geführt habe, erklären die Wissenschaftler. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff viel häufiger in der Atmosphäre vorkommt als Kohlenstoff, deutet auch darauf hin, dass sich WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und erst später in seine nahe Umlaufbahn gewandert ist.

Ein begeisterter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen einen Durchbruch: Sie stellen ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für die Arbeit mit Datensätzen an. Dies soll den Einsatz des Teleskops für weitere Beobachtungen solcher Transite erleichtern. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Ihre Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorbote für alle anderen Ergebnisse, die vom JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop getestet und seine Leistung 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 von Suche verwendet 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 zu unterscheiden, 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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