Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit Hilfe des neuen James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben Astronomen die Merkmale der gasförmigen Hülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue entschlüsselt: im Licht, das durch die Atmosphäre des “heißen Jupiters” strömt WASP-39 b schimmerte, ihre chemische Zusammensetzung wurde detailliert dargestellt. 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. Wissenschaftler sagen, dass Untersuchungen der Exoatmosphäre eines Tages auch Beweise für die Existenz von Leben liefern könnten.

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, wobei die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren bereits für Aufregung sorgen. Sie veranschaulichten die Leistungsverbesserungen des JWST gegenüber bisher verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Weltraum blicken, astronomische Objekte mit einer ganz neuen Detailgenauigkeit abbilden und Lichtspektren besser auflösen. Dies waren die Ergebnisse des “Early Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die ursprünglich darauf ausgelegt waren, die grundlegenden Funktionen und Potenziale von JWST für geplante Forschungszwecke zu untersuchen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

JWST gibt mehr “Perspektive”

WASP-39b ist das Ziel von Forschungsteams, die Teil des Wissenschaftsprogramms Transiting Exoplanet Community Early Release sind. Er ist etwa 700 Lichtjahre 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. Sein extremer Grad ist auf seine Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zurückzuführen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, etwas mehr als vier Erdentage. Astronomen wählten es zum Testen von JWST, weil seine aufgeblähte Atmosphäre besonders für den Prozess der Transitspektroskopie geeignet ist. Das Eindringen in die Merkmale und die Zusammensetzung der Gashülle ist durch die “Regenbogenzerlegung” von Licht möglich, das durch die Gashüllen geworfen wird, wenn entfernte Welten vor dem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Bereits im August gaben Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Sie präsentieren nun weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über Studien mit den spektrografischen Instrumenten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderer Moment ist die Aufklärung einer zunächst mysteriösen Anomalie im Spektrum des flimmernden Lichts. Es stellte sich als Signatur von Schwefeldioxid heraus, das erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Seine Besonderheit besteht darin, dass es sich um eine Substanz handelt, die durch photochemische Prozesse ähnlich wie Ozon in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen die Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Schichten der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Photonen bilden aus Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Dann treten chemische Reaktionen unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) auf, 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 Daten spiegeln sogar Aspekte der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über bestimmte Stoffverhältnisse in der Atmosphäre von WASP-39b mit Modellen der Planetenentstehung und dem Wissen über unser eigenes Sonnensystem lässt Rückschlüsse zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff weise darauf hin, dass die Kollision kleinerer Vorläuferplaneten zur Entstehung des Himmelskörpers geführt habe, erklären die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass in der Atmosphäre viel mehr Sauerstoff als Kohlenstoff vorhanden ist, deutet auch darauf hin, dass sich WASP-39b ursprünglich viel weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und erst später in eine enge Umlaufbahn eingedrungen ist.

Sie blicken gespannt in die Zukunft

Vor allem aber sehen Wissenschaftler ihre Ergebnisse als bahnbrechend an: Sie stellen ihre JWST-Erfahrung der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für die Arbeit mit Datensätzen an. Dies soll die Nutzung des Teleskops für weitere Transitbeobachtungen dieser Art erleichtern. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalya Batalia von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Überwachungsprogramm koordiniert hat. Ihre Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fährt fort: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf alle späteren Ergebnisse, die mit JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop getestet und seine Funktion überprüft. 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 wichtigsten Ziele der Exoatmosphärenforschung, sagen die Forscher: Bestimmte Signaturen in den Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuelle Untersuchung ist eine Art Test der Überwachungstechnik, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um bei der Suche nach Leben zwischen den atmosphärischen Merkmalen von Exoplaneten mit und ohne 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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