Originalveröffentlichung am 15.07.2024 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases
Zusammenfassung: Nahinfrarot-Spektralanalyse des Terminators bestätigt Unterschiede in der Morgen- und Abendatmosphäre
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1992 wurden Tausende von Planeten, die Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen, durch eine Vielzahl verschiedener Methoden bestätigt, darunter direkte Bildgebung, Mikrogravitationslinseneffekt, Transitmessungen und Astrometrie. Im Laufe der Jahre haben sich die Techniken zur Untersuchung dieser Exoplaneten weiterentwickelt, und die Astronomen haben Einzelheiten über die atmosphärische Zusammensetzung dieser fernen Welten erfahren.
NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop bringt dieses Forschungsgebiet weiter voran und vertieft unser Verständnis über die Vielfalt der Exoplaneten und ihrer Atmosphären.
Das Neueste? Webb hat es den Astronomen ermöglicht, die atmosphärischen Unterschiede zwischen Morgen und Abend auf einem gebunden rotierenden Exoplaneten zu analysieren – eine unglaubliche Leistung für eine 700 Lichtjahre von der Erde entfernte Welt wie WASP-39 b.
Forscher, die NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop nutzen, haben endlich bestätigt, was Modelle zuvor vorausgesagt haben: Ein Exoplanet zeigt Unterschiede in seiner ewigen Morgen- und ewigen Abendatmosphäre. WASP-39 b, ein Riesenplanet mit einem 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter, aber einer ähnlichen Masse wie Saturn, umkreist einen etwa 700 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern und ist rotiert seinen Mutterstern gebunden. Das bedeutet, daß er eine immerwährende Tagseite und eine immerwährende Nachtseite hat – eine Seite des Planeten ist immer seinem Stern ausgesetzt, während die andere immer in Dunkelheit gehüllt ist.
Mit Hilfe von Webb’s NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrographen) bestätigten die Astronomen einen Temperaturunterschied zwischen dem ewigen Morgen und dem ewigen Abend auf WASP-39 b, wobei der Abend um etwa 200 Grad Celsius heißer erscheint. Sie fanden auch Hinweise auf eine unterschiedliche Bewölkung, wobei der Teil des Planeten im ewigen Morgen wahrscheinlich bewölkter ist als der Abendteil.
Die Astronomen analysierten von WASP-39 b das Transmissionsspektrum im Bereich von 2 bis 5 Mikrometer, eine Technik, die den Terminator des Exoplaneten untersucht, die Grenze, die die Tag- und Nachtseite des Planeten trennt. Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem man das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, wenn er sich vor dem Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht vergleicht, das man mißt, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Durch diesen Vergleich können die Forscher Informationen über die Temperatur, die Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Planetenatmosphäre gewinnen.
“WASP-39 b ist zu einer Art Referenzplanet für die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten mit Webb geworden”, sagte Néstor Espinoza, ein Exoplanetenforscher am Space Telescope Science Institute und Hauptautor der Studie. “Er hat eine aufgeblähte, geschwollene Atmosphäre, so daß das Signal des Sternenlichts, das durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert wird, ziemlich stark ist.”
Die zuvor veröffentlichten Webb-Spektren der Atmosphäre von WASP-39b, die das Vorhandensein von Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Natrium zeigten, repräsentieren die gesamte Tag-Nacht-Grenze – es wurde nicht versucht, zwischen der einen und der anderen Seite im Detail zu unterscheiden.
Die neue Analyse erstellt nun zwei verschiedene Spektren aus der Region des Terminators, die im Wesentlichen die Tag-Nacht-Grenze in zwei Halbkreise aufteilen, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, daß der Abend mit 800 Grad Celsius deutlich heißer ist als der Morgen, der mit 600 Grad Celsius relativ kühl ist.
“Es ist wirklich erstaunlich, daß wir in der Lage sind, diesen kleinen Unterschied zu fassen, und das ist nur aufgrund der Empfindlichkeit von Webb im nahen Infrarot und seiner extrem stabilen photometrischen Sensoren möglich”, sagte Espinoza. “Jede noch so kleine Bewegung des Instruments oder des Observatoriums während der Datenerfassung hätte unsere Fähigkeit, diese Entdeckung zu machen, stark eingeschränkt. Es muß außerordentlich präzise sein, und Webb ist genau das”.
Umfassende Modellierungen der gewonnenen Daten ermöglichen es den Forschern auch, die Struktur der Atmosphäre von WASP-39 b, die Wolkendecke und die Gründe für die höhere Abendtemperatur zu untersuchen. Während zukünftige Arbeiten des Teams untersuchen werden, wie sich die Wolkenbedeckung auf die Temperatur auswirkt und umgekehrt, bestätigten die Astronomen die Gaszirkulation um den Planeten als Hauptursache für den Temperaturunterschied auf WASP-39 b.
Bei einem stark bestrahlten Exoplaneten wie WASP-39 b, der relativ nahe um seinen Stern kreist, erwarten die Forscher im Allgemeinen, daß sich das Gas bewegt, wenn der Planet um seinen Stern rotiert: Heißeres Gas von der Tagseite sollte sich über einen starken äquatorialen Jetstream durch den Abend zur Nachtseite bewegen. Da der Temperaturunterschied so extrem ist, wäre auch der Unterschied im Luftdruck erheblich, was wiederum hohe Windgeschwindigkeiten verursachen würde.
Mit Hilfe von allgemeinen Zirkulationsmodellen, dreidimensionalen Modellen, die denen ähneln, die zur Vorhersage von Wettermustern auf der Erde verwendet werden, fanden die Forscher heraus, daß sich auf WASP-39 b die vorherrschenden Winde vermutlich von der Nachtseite über den Morgenterminator, entlang der Tagseite, über den Abendterminator und dann um die Nachtseite bewegen. Infolgedessen ist die Morgenseite des Terminators kühler als die Abendseite. Mit anderen Worten, die Morgenseite wird von Winden getroffen, deren Luft auf der Nachtseite abgekühlt wurde, während die Abendseite von Winden getroffen wird, deren Luft auf der Tagseite erwärmt wurde. Die Forschung legt nahe, daß die Windgeschwindigkeiten auf WASP-39 b Tausende von Kilometern pro Stunde erreichen können!
“Diese Analyse ist auch deshalb besonders interessant, weil man 3D-Informationen über den Planeten erhält, die man vorher nicht bekommen hat”, fügte Espinoza hinzu. “Da wir feststellen können, daß der Abendrand heißer ist, bedeutet dies, daß er ein wenig aufgeblasener ist. Theoretisch gibt es also eine kleine Dünung am Terminator, die sich der Nachtseite des Planeten nähert.”
Die Ergebnisse des Teams sind in Nature veröffentlicht worden.
Die Forscher werden nun versuchen, die gleiche Analysemethode zu nutzen, um atmosphärische Unterschiede bei anderen gebunden rotierenden heißen Jupitern im Rahmen des Webb Cycle 2 General Observers Program 3969 zu untersuchen.
WASP-39 b war eines der ersten Ziele, die von Webb analysiert wurden, als das Teleskop 2022 den regulären Wissenschaftsbetrieb aufnahm. Die Daten in dieser Studie wurden im Rahmen des Early Release Science-Program 1366 gesammelt, dazu gedacht, den Wissenschaftlern zu helfen, den Umgang mit den Instrumenten des Teleskops schnell zu erlernen und sein volles wissenschaftliches Potenzial auszuschöpfen.
Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).
Heißer Gasriesen-Exoplanet WASP-39 b (Künstlerischer Entwurf)
Über das Bild: Dieser künstlerische Entwurf zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b auf der Grundlage von indirekten Transitbeobachtungen von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop sowie anderer weltraum- und bodengestützter Teleskope aussehen könnte.
WASP-39 b ist ein heißer, aufgeblähter Gasriese, der einen Stern vom Typ G umkreist, der etwas kleiner und weniger massereich als die Sonne ist. WASP-39 b umkreist diesen Stern relativ nahe, nur 0,0486 Astronomische Einheiten (7.290.000 Kilometer) entfernt. WASP-39 b hat die 0,28-fache Masse von Jupiter (0,94-mal Saturn) und einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter.
WASP-39 b rotiert gebunden, d.h., eine Seite ist immer dem Stern zugewandt. Das bedeutet, daß der Planet einen Terminator hat (eine Grenze, die die Tag- und Nachtseite des Planeten trennt), an dem es einen ewigen Sonnenauf- und -untergang gibt.
Durch die Auswertung eines Transmissionsspektrums von WASP-39 b aus dem NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) von Webb, einer Technik, die den Terminator des Exoplaneten untersucht, bestätigten die Astronomen einen Temperaturunterschied zwischen Morgen und Abend, wobei der Abend um etwa 200 Celsius-Grad heißer erscheint. Sie fanden auch Hinweise auf eine unterschiedliche Bewölkung, wobei der Morgen wahrscheinlich bewölkter ist als der Abend.
Webb hat noch kein direktes Bild von WASP-39 b aufgenommen.
Transitlichtkurve des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b (NIRSpec)
Über das Bild: Eine Lichtkurve des NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop zeigt die Veränderung der Helligkeit des WASP-39-Sternsystems über einen längeren Zeitraum, als der Planet vor dem Stern vorbeizog. Diese Beobachtung wurde mit dem NIRSpec-Zeitserienmodus für helle Objekte gemacht, der ein Gitter verwendet, um das Licht eines einzelnen hellen Objekts (wie des Wirtssterns von WASP-39 b) zu verteilen und die Helligkeit jeder Lichtwellenlänge in bestimmten Zeitintervallen zu messen.
Die Hintergrunddarstellung von WASP-39 b und seinem Stern basiert auf den aktuellen Erkenntnissen über den Planeten aus der Webb-Spektroskopie sowie früheren boden- und weltraumgestützten Beobachtungen. Vom Planeten oder seiner Atmosphäre hat Webb kein direktes Bild aufgenommen.
Der künstlerische Entwurf zeigt den Terminator des Exoplaneten, die Grenze, die die Tag- und Nachtseite des Planeten trennt. Die neue Analyse eines Transmissionsspektrums von WASP-39 b von Webb’s NIRSpec erstellt zwei verschiedene Spektren aus der Region des Terminators, die im Wesentlichen die Tag-Nacht-Grenze in zwei Halbkreise aufteilen, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Astronomen bestätigten einen Temperaturunterschied zwischen dem Morgen und dem Abend, wobei der Abend um etwa 200 Grad Celsius heißer erscheint. Sie fanden auch Hinweise auf eine unterschiedliche Bewölkung, wobei der Morgen vermutlich bewölkter war als der Abend.
Transmissionsspektrum des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b (NIRSpec)
Über das Bild: Dieses Transmissionsspektrum, das mit Webb’s NIRSpec (Nahinfrarotspektrograph) PRISM Bright Object-Zeitserienmodus aufgenommen wurde, zeigt den Anteil des Sternenlichts im nahen Infrarot, der von der Atmosphäre des heißen Gasriesen WASP-39 b blockiert wird. Das Spektrum zeigt deutliche Hinweise auf Wasser und Kohlendioxid sowie Temperaturschwankungen zwischen Morgen und Abend auf dem Exoplaneten.
Eine neue Analyse des Transmissionsspektrums von WASP-39 b liefert zwei unterschiedliche Spektren von der stationären Tag-Nacht-Grenze des Exoplaneten, die diese Terminatorregion im Wesentlichen in zwei Halbkreise aufteilt, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, daß der Abend mit 800 Grad Celsius deutlich heißer ist als der Morgen, der mit 600 Grad Celsius relativ kühl ist.
Die blaue und gelbe Linie stellen ein Modell mit der besten Anpassung dar, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-39 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die angenommenen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.