Webb enthüllt eine Exoplaneten-Atmosphäre, wie sie noch nie zuvor gesehen wurde

| |

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat gerade eine weitere Premiere erzielt: ein molekulares und chemisches Profil des Himmels einer fernen Welt.

Während Webb und andere Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Spitzer der NASA, zuvor isolierte Bestandteile der Atmosphäre dieses brodelnden Planeten enthüllt haben, bieten die neuen Messwerte von Webb ein vollständiges Menü von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken.

Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Wolken aus der Nähe aussehen könnten: eher gebrochen als eine einzige, einheitliche Decke über dem Planeten.

Die hochempfindlichen Instrumente des Teleskops wurden auf die Atmosphäre von WASP-39 b gerichtet, einem „heißen Saturn“ (ein Planet, der etwa so massereich wie Saturn ist, aber eine engere Umlaufbahn als Merkur hat), der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist.

Die Ergebnisse sind ein gutes Zeichen für die Fähigkeit von Webbs Instrumenten, das breite Spektrum an Untersuchungen aller Arten von Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen, die von der Wissenschaftsgemeinschaft erhofft werden. Dazu gehört auch die Untersuchung der Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

„Wir haben den Exoplaneten mit mehreren Instrumenten beobachtet, die zusammen einen breiten Streifen des Infrarotspektrums und eine Palette chemischer Fingerabdrücke liefern, die bis dahin unzugänglich waren [this mission]“, sagt Natalie Batalha, eine Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die zu der neuen Forschung beigetragen und bei der Koordinierung geholfen hat. „Daten wie diese sind ein Game Changer.“

Die Reihe der Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neuen wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, von denen drei im Druck sind und zwei derzeit überprüft werden. Zu den beispiellosen Enthüllungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid (SO2), ein Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht des Muttersterns des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde entsteht auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre.

„Dies ist das erste Mal, dass wir konkrete Beweise für die Photochemie – chemische Reaktionen, die durch energiereiches Sternlicht ausgelöst werden – auf Exoplaneten sehen“, sagt Shang-Min Tsai, Forscher an der Universität Oxford und Hauptautor des Artikels, der den Ursprung von Schwefeldioxid erklärt in der Atmosphäre von WASP-39 b. „Ich sehe dies als eine wirklich vielversprechende Perspektive, um unser Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten voranzutreiben [this mission].“

Dies führte zu einer weiteren Premiere: Wissenschaftler wendeten Computermodelle der Photochemie auf Daten an, die eine vollständige Erklärung dieser Physik erfordern. Die daraus resultierenden Verbesserungen bei der Modellierung werden dazu beitragen, das technologische Know-how aufzubauen, um potenzielle Anzeichen für Bewohnbarkeit in der Zukunft zu interpretieren.

„Planeten werden geformt und umgewandelt, indem sie im Strahlungsbad des Wirtssterns umkreisen“, sagt Batalha. „Auf der Erde lassen diese Transformationen das Leben gedeihen.“

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur an unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Muttersternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte zu einem tieferen Verständnis darüber führen, wie sich diese Prozesse auf die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten auswirken.

Um Licht von WASP-39 b zu sehen, verfolgte Webb den Planeten, als er vor seinem Stern vorbeizog, und ließ einen Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten filtern. Verschiedene Arten von Chemikalien in der Atmosphäre absorbieren unterschiedliche Farben des Sternenlichtspektrums, sodass die fehlenden Farben den Astronomen sagen, welche Moleküle vorhanden sind. Durch die Betrachtung des Universums im Infrarotlicht kann Webb chemische Fingerabdrücke aufnehmen, die im sichtbaren Licht nicht erkannt werden können.

Andere atmosphärische Bestandteile, die vom Webb-Teleskop entdeckt wurden, sind Natrium (Na), Kalium (K) und Wasserdampf (H2O), was frühere Weltraum- und bodengestützte Teleskopbeobachtungen bestätigt und zusätzliche Fingerabdrücke von Wasser bei diesen längeren Wellenlängen findet, die zuvor noch nicht gesehen wurden.

Webb sah auch Kohlendioxid (CO2) mit höherer Auflösung und liefert doppelt so viele Daten wie aus früheren Beobachtungen. Währenddessen wurde Kohlenmonoxid (CO) nachgewiesen, aber offensichtliche Signaturen sowohl von Methan (CH4) und Schwefelwasserstoff (H2S) fehlten in den Webb-Daten. Falls vorhanden, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor.

Um dieses breite Spektrum der Atmosphäre von WASP-39 b zu erfassen, analysierte ein internationales Team mit Hunderten unabhängig voneinander Daten von vier der fein kalibrierten Instrumentenmodi des Webb-Teleskops.

Die atmosphärische Zusammensetzung des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b wurde vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA enthüllt. Diese Grafik zeigt vier Transmissionsspektren von drei Instrumenten von Webb, die in vier Instrumentenmodi betrieben werden. Oben links zeigen Daten von NIRISS Fingerabdrücke von Kalium (K), Wasser (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Oben rechts zeigen Daten von NIRCam eine markante Wassersignatur. Unten links zeigen Daten von NIRSpec Wasser, Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) an. Unten rechts zeigen zusätzliche NIRSpec-Daten all diese Moleküle sowie Natrium (Na).
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

„Wir hatten vorhergesagt, was [the telescope] würde uns zeigen, aber es war präziser, vielfältiger und schöner, als ich eigentlich gedacht hatte“, sagt Hannah Wakeford, eine Astrophysikerin an der University of Bristol, die die Atmosphären von Exoplaneten untersucht.

Eine so vollständige Liste chemischer Inhaltsstoffe in einer Exoplanetenatmosphäre zu haben, gibt Wissenschaftlern auch einen Einblick in die Fülle verschiedener Elemente im Verhältnis zueinander, wie z. B. das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff oder Kalium zu Sauerstoff. Das wiederum gibt Aufschluss darüber, wie sich dieser Planet – und vielleicht auch andere – in jungen Jahren aus der Scheibe aus Gas und Staub gebildet hat, die den Mutterstern umgab.

Das chemische Inventar von WASP-39 b deutet auf eine Geschichte von Zertrümmerungen und Verschmelzungen kleinerer Körper hin, die als Planetesimale bezeichnet werden, um schließlich einen Goliath von einem Planeten zu schaffen.

„Der Überfluss an Schwefel [relative to] Wasserstoff deutete darauf hin, dass der Planet vermutlich eine erhebliche Ansammlung von Planetesimalen erfahren hat, die liefern können [these ingredients] in die Atmosphäre“, sagt Kazumasa Ohno, ein Exoplanetenforscher der UC Santa Cruz, der an Webb-Daten gearbeitet hat. „Die Daten zeigen auch, dass der Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als der Kohlenstoff. Dies deutet möglicherweise darauf hin, dass sich WASP-39 b ursprünglich weit entfernt vom Zentralstern gebildet hat.“

Die Instrumente des Webb-Teleskops haben die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen, indem sie die Atmosphäre eines Exoplaneten so präzise analysiert haben – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der breiten Vielfalt von Exoplaneten in der Galaxie.

„Wir werden in der Lage sein, das Gesamtbild der Atmosphären von Exoplaneten zu sehen“, sagt Laura Flagg, Forscherin an der Cornell University und Mitglied des internationalen Teams. „Es ist unglaublich aufregend zu wissen, dass alles neu geschrieben wird. Das ist einer der besten Aspekte des Wissenschaftlerdaseins.“

Previous

Haushalte könnten zusätzliche Lebenshaltungskosten entgehen lassen, da Windfall-Energiesteuern aufgebraucht werden könnten – The Irish Times

Pavillon-Format auf Film Bazaar willkommen

Next

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.