Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem neuen James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen die Merkmale der Gashülle eines Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue enträtselt: Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiters“ strömte, flackerte WASP -39 b , wurde ihre chemische Zusammensetzung im Detail widergespiegelt. Die Informationen ließen bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte des Planeten zu. Das nachgewiesene Leistungspotenzial von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Exo-Atmosphärenforschung eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: “Weitere Erkenntnisse könnte bald das geplante James-Webb-Weltraumteleskop liefern”. Jetzt befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die Mitte Juli 2022 veröffentlichten ersten Bilder und Spektren sorgten bereits für Aufregung. Sie verdeutlichten die gesteigerte Leistungsfähigkeit von JWST im Vergleich zu den bis dahin 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 darauf abzielen, die grundlegende Funktionalität und das Potenzial von JWST für die geplanten Forschungszwecke zu erforschen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

JWST gibt 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 entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl er nur etwa die Masse des Saturn hat, hat er einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern in etwas mehr als vier Erdentagen sehr eng. Die Astronomen wählten es zum Testen von JWST, weil sich seine aufgeblähte Atmosphäre besonders für den Prozess der Transitspektroskopie eignet. Einblicke in die Funktionen und die Zusammensetzung der Gashülle sind durch die “regenbogenartigen Lichteinbrüche” möglich, die durch die Gashüllen scheinen, wenn die fernen Welten vor ihrem 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 hatten Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b angekündigt. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt sind. Hier berichten sie über die Untersuchungen 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 Aussagekraft der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Aufklärung einer zunächst rätselhaften Auffälligkeit im Spektrum des Flackerlichts. Es stellte sich als Signatur für Schwefeldioxid heraus, das nun erstmals in einer Exoplanetenatmosphäre nachgewiesen wurde. Das Besondere daran ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon in der Erdatmosphäre durch photochemische Prozesse entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Regionen 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 Forscher.

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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 Planetenentstehungsmodellen und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen 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 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.

Gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem aber sehen die Forscher in ihren Erkenntnissen eine bahnbrechende Bedeutung: Sie stellen ihre Erfahrungen mit 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 JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit getestet. Die Beobachtungen waren nahezu fehlerfrei.“ – noch 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 aktuellen Untersuchungen sind wie eine Art Test für die Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. 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 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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