NASA’s Webb bildet junge, riesige Exoplaneten ab und entdeckt Kohlendioxid

Originalveröffentlichung am 17.03.2025 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Die Ergebnisse legen nahe, daß die riesigen Exoplaneten im System HR 8799 wahrscheinlich wie Jupiter und Saturn entstanden sind

Der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems wurde in den 1990er Jahren entdeckt, aber erst mehr als ein Jahrzehnt später gelang es Astronomen, ein direktes Bild von ihm zu machen. Es ist äußerst schwierig, einen Exoplaneten abzubilden, da Sterne in anderen Planetensystemen Tausende Male heller und größer sein können als ihre Planeten.

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA ist mit einem hochempfindlichen Koronographen ausgestattet, einer winzigen Maske, die das Licht des Sterns blockiert und es Webb ermöglicht, Exoplaneten abzubilden.

Die neuen Bilder von HR 8799 und 51 Eridani plus ihren Planeten haben die Forscher verblüfft und zusätzliche Informationen über die chemische Zusammensetzung der jungen Gasriesen geliefert.

NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop hat direkte Bilder von mehreren planetaren Gasriesen innerhalb eines bekannten Planetensystems aufgenommen. HR 8799, ein junges System in 130 Lichtjahren Entfernung, ist seit langem ein wichtiges Ziel für Studien zur Planetenbildung.

Die Beobachtungen zeigen, daß die gut untersuchten Planeten von HR 8799 reich an Kohlendioxidgas sind. Dies ist ein starker Beweis dafür, daß sich die vier Riesenplaneten des Systems ähnlich wie Jupiter und Saturn gebildet haben, indem sie langsam feste Kerne bildeten, die Gas aus dem Inneren einer protoplanetaren Scheibe anziehen, ein als Kernakkretion bekannter Prozeß.

Die Ergebnisse bestätigen auch, daß Webb auf die Chemie der Atmosphären von Exoplaneten mit Hilfe von Bildern rückschließen kann. Diese Technik ergänzt die leistungsstarken spektroskopischen Instrumente von Webb, mit denen die Zusammensetzung der Atmosphäre aufgelöst werden kann.

„Indem wir diese starken Kohlendioxid-Merkmale entdeckten, haben wir gezeigt, daß in den Atmosphären dieser Planeten ein beträchtlicher Anteil an schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen vorhanden ist,“ sagte William Balmer von der Johns Hopkins University in Baltimore. „Wenn man bedenkt, was wir über den Stern wissen, den sie umkreisen, deutet das vermutlich darauf hin, daß sie durch Kernakkretion entstanden sind, was bei Planeten, die wir direkt sehen können, eine aufregende Schlußfolgerung ist.“

Balmer ist Hauptautor der Studie, deren Ergebnisse heute im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden. Die Analyse von Balmer und seinem Team umfaßt auch die Beobachtung eines 97 Lichtjahre entfernten Systems durch Webb. Das System trägt die Bezeichnung 51 Eridani.

HR 8799 ist ein junges System, etwa 30 Millionen Jahre alt, ein Bruchteil der 4,6 Milliarden Jahre unseres Sonnensystems. Die Planeten in HR 8799 sind noch heiß von ihrer turbulenten Entstehung und strahlen große Mengen an Infrarotlicht ab, das den Wissenschaftlern wertvolle Daten über ihre Entstehung liefert.

Riesenplaneten können auf zwei Arten entstehen: Durch langsame Bildung fester Kerne mit schwereren Elementen, die Gas anziehen, wie bei den Riesen in unserem Sonnensystem, oder wenn Gaspartikel schnell zu massiven Objekten aus der abkühlenden Scheibe eines jungen Sterns, die größtenteils aus der gleichen Art von Material wie der Stern besteht, zusammenwachsen. Der erste Prozeß wird als Kernakkretion, der zweite als Scheibeninstabilität bezeichnet. Zu wissen, welches Entstehungsmodell häufiger vorkommt, kann den Wissenschaftlern Anhaltspunkte geben, um zwischen den Planetentypen zu unterscheiden, die sie in anderen Systemen finden.

„Unsere Hoffnung bei dieser Art von Forschung ist es, unser eigenes Sonnensystem, das Leben und uns selbst im Vergleich zu anderen exoplanetaren Systemen zu verstehen, damit wir unsere Existenz in einen Kontext stellen können“, sagte Balmer. „Wir wollen Bilder von anderen Sonnensystemen machen und sehen, wie sie sich im Vergleich zu unserem System unterscheiden. Von dort aus können wir versuchen, ein Gefühl dafür zu bekommen, wie seltsam unser Sonnensystem wirklich ist – oder wie normal.“

Von den nahezu 6.000 entdeckten Exoplaneten wurden nur wenige direkt abgebildet, da selbst Riesenplaneten um ein Vielfaches lichtschwächer sind als ihre Sterne. Die Bilder von HR 8799 und 51 Eridani wurden durch den NIRCam (Nahinfrarotkamera) Koronographen von Webb ermöglicht, der das Licht von hellen Sternen blockiert und so sonst verborgene Welten sichtbar macht.

Diese Technologie ermöglichte es dem Team, nach Infrarotlicht zu suchen, das von den Planeten in Wellenlängen ausgesandt wird, die von bestimmten Gasen absorbiert werden. Das Team fand heraus, daß die vier Planeten von HR 8799 mehr schwere Elemente besitzen als bisher angenommen.

Das Team ebnet den Weg für detailliertere Beobachtungen, um festzustellen, ob es sich bei den Objekten, die sie um andere Sterne kreisen sehen, um echte Riesenplaneten oder um Objekte wie Braune Zwerge handelt, die sich wie Sterne bilden, aber nicht genug Masse ansammeln, um die Kernfusion zu zünden.

„Wir haben weitere Hinweise darauf, daß diese vier Planeten von HR 8799 mit diesem Bottom-up-Ansatz (von unten nach oben) entstanden sind“, so Laurent Pueyo, Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, der die Arbeit mit geleitet hat. „Wie häufig ist dies bei Planeten, die wir direkt abbilden können? Wir wissen es noch nicht, aber wir schlagen weitere Webb-Beobachtungen vor, um diese Frage zu beantworten.“

„Wir wußten, daß Webb die Farben der äußeren Planeten in direkt abgebildeten Systemen messen kann“, fügte Rémi Soummer, Direktor des Russell B. Makidon Optics Lab des STScI und ehemaliger Leiter des Einsatzes des Webb-Koronographen, hinzu. „Wir haben 10 Jahre lang auf die Bestätigung gewartet, daß unser fein abgestimmter Betrieb des Teleskops uns auch den Zugang zu den inneren Planeten ermöglichen würde. Jetzt liegen die Ergebnisse vor und wir können damit interessante Wissenschaft betreiben.“

Die NIRCam-Beobachtungen von HR 8799 und 51 Eridani wurden im Rahmen der Guaranteed Time Observations programs 1194 und 1412 durchgeführt.

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 die Kanadische Weltraumorganisation.

HR 8799 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): HR 8799
• Objektbeschreibung: Stern mit Planeten und Trümmerscheibe
• Rektaszension: 23:07:28.901
• Deklination: +21:08:02.12
• Sternbild: Pegasus
• Entfernung: Etwa 127 Lichtjahre entfernt
• Daten
• Instrument: NIRCam-Koronograph
• Filter: F410M, F430M, F460M
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um mittlere Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F410M Grün: F430M Rot: F460M

Über das Bild: Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat den bisher klarsten Blick auf das Mehrplanetensystem mit Symbolcharakter, HR 8799, geworfen. Bei den Beobachtungen wurde bei jedem der Planeten Kohlendioxid nachgewiesen, was ein deutlicher Beweis dafür ist, daß sich die vier Riesenplaneten des Systems ähnlich wie Jupiter und Saturn gebildet haben, indem sie langsam feste Kerne bildeten, die Gas aus einer protoplanetaren Scheibe anzogen.

Die Farben werden auf die Filter von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera) angewandt, wodurch die Unterschiede zwischen den einzelnen Planeten sichtbar werden. Ein Sternsymbol markiert die Position des Heimatsterns HR 8799, dessen Licht von einem Koronographen blockiert wurde.

Die Farben in diesem Bild, die für die verschiedenen Wellenlängen stehen, die von Webb’s NIRCam erfaßt werden, geben den Forschern Aufschluß über die Temperaturen und die Zusammensetzung der Planeten. HR 8799 b, der in einer Entfernung von ungefähr 10,1 Milliarden Kilometern um den Stern kreist, ist der kälteste und kohlendioxidreichste der Gruppe. HR 8799 e umkreist seinen Stern in einer Entfernung von 2,4 Milliarden Kilometern und hat sich vermutlich näher am Wirtsstern gebildet, wo es stärkere Schwankungen in der Zusammensetzung des Materials gab.

In diesem Bild ist die Farbe Blau dem 4,1-Mikrometer-Licht, Grün dem 4,3-Mikrometer-Licht und Rot dem 4,6-Mikrometer-Licht zugeordnet.

51 Eridani (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Eri 51; Eridani 51
• Objektbeschreibung: Stern mit Planet und Trümmerscheibe
• Rektaszension: 04:37:36.204
• Deklination: -02:28:26:32
• Sternbild: Eridanus
• Entfernung: Etwa 97 Lichtjahre entfernt
• Daten
• Instrument: NIRCam-Koronograph
• Filter: F410M
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild wurde mit dem NIRCam-Instrument am James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung einer warm/roten Farbkarte zu einem monochromatischen (Graustufen-)Bild.

Über das Bild: Die NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA hat dieses Bild von Eridani 51 b aufgenommen, einem kühlen, jungen Exoplaneten, der in einer Entfernung von 1,43 Milliarden Kilometern um seinen Stern kreist, ähnlich der Umlaufbahn des Saturns in unserem Sonnensystem. Die Beobachtungen ergaben, daß der Planet reich an Kohlendioxid ist, was ein deutliches Indiz dafür ist, daß sich der Planet ähnlich wie Jupiter und Saturn gebildet hat, indem er langsam einen festen Kern aufbaute, der Gas aus einer protoplanetaren Scheibe anzog.

Das System 51 Eridani ist 97 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dieses Bild beinhaltet Filter, die 4,1-Mikrometer-Licht als rot darstellen.

Junger Gasriese HR 8799 e (NIRCam Spektrum)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): HR 8799 e
• Objektbeschreibung: Planet im Sternsystem HR 8799
• Rektaszension: 23:07:28.901
• Deklination: +21:08:02.12
• Sternbild: Pegasus
• Entfernung: Etwa 127 Lichtjahre entfernt

Über das Bild: Dieses Diagramm zeigt ein Spektrum eines der Planeten im System HR 8799, HR 8799 e, das die Beträge an Nahinfrarotlicht zeigt, das Webb bei verschiedenen Wellenlängen vom Planeten entdeckt hat.

Die blaue und die gelbe Linie stellen ein Best-Fit-Modell, also ein am besten angepaßtes Modell für eine Atmosphäre dar, die entweder wenig oder viel Metalle enthält, die schwerer als Helium sind, einschließlich Kohlenstoff, was auch als Metallizität bezeichnet wird. Die Webb-Daten stimmen mit einem Planeten mit hoher Metallizität überein.

Spektrale Fingerabdrücke von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid tauchen in den Daten der NIRCam (Nahinfrarotkamera) von Webb auf.