Originalveröffentlichung am 25.08.2022 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases
Zusammenfassung: Webb läutet mit dem ersten eindeutigen Nachweis von Kohlendioxid in einer Planetenatmosphäre außerhalb unseres Sonnensystems eine neue Ära der Exoplanetenforschung ein
Nach Jahren der Vorbereitung und Vorfreude sind Exoplanetenforscher begeistert. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat einen erstaunlich detaillierten Regenbogen von Sternenlicht im nahen Infrarot aufgenommen, das durch die Atmosphäre eines 700 Lichtjahre entfernten heißen Gasriesen gefiltert wurde. Das Transmissionsspektrum des Exoplaneten WASP-39 b, das auf einem einzigen Satz an Messungen von Webb‘s Nahinfrarotspektrographen beruht und von Dutzenden von Wissenschaftlern analysiert wurde, stellt einen Hattrick von Premieren dar: Webb‘s erste offizielle wissenschaftliche Beobachtung eines Exoplaneten, das erste detaillierte Spektrum eines Exoplaneten, das diesen Bereich der Farben des nahen Infrarots abdeckt, und der erste unbestreitbare Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten, der einen fernen Stern umkreist. Die Ergebnisse zeigen, daß Webb in der Lage ist, wichtige Moleküle wie Kohlendioxid in einer Vielzahl von Exoplaneten – darunter kleinerer, kühlerer, felsiger Planeten – aufzuspüren, was Einblicke in die Zusammensetzung, Entstehung und Entwicklung von Planeten in der gesamten Galaxis ermöglicht.
NASA‘s James-Webb-Weltraumteleskop hat den ersten eindeutigen Nachweis für Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems erbracht. Diese Beobachtung eines Gasriesen, der einen 700 Lichtjahre entfernten sonnenähnlichen Stern umkreist, liefert wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Entstehung des Planeten. Das Ergebnis, das zur Veröffentlichung in Nature angenommen wurde, ist ein Hinweis darauf, daß Webb in Zukunft in der Lage sein könnte, Kohlendioxid in den dünneren Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten nachzuweisen und zu messen.
WASP-39 b ist ein heißer Gasriese von ungefähr einem Viertel Jupitermasse (etwa so groß wie Saturn) und einem Durchmesser, der 1,3 Mal größer ist als der des Jupiters. Seine extreme Aufblähung hängt zum Teil mit seiner hohen Temperatur zusammen (circa 900 Grad Celsius). Im Gegensatz zu den kühleren, kompakteren Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist WASP-39 b seinen Stern sehr nahe – nur etwa ein Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur – und benötigt für eine Umkreisung etwas mehr als vier Erdtage. Die Entdeckung des Planeten, über die 2011 berichtet wurde, basierte auf bodengestützten Entdeckungen der subtilen, periodischen Abschwächung des Lichts seines Wirtssterns, wenn der Planet vor dem Stern vorüber- oder an ihm vorbeizieht.
Frühere Beobachtungen durch andere Teleskope, darunter die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer der NASA, zeigten das Vorhandensein von Wasserdampf, Natrium und Kalium in der Atmosphäre des Planeten. Die unübertroffene Infrarotempfindlichkeit von Webb hat nun auch das Vorkommen von Kohlendioxid auf diesem Planeten bestätigt.
Gefiltertes Sternenlicht
Transitierende Planeten wie WASP-39 b, deren Umlaufbahnen wir eher von der Seite als von oben beobachten, bieten den Forschern ideale Möglichkeiten, die Planetenatmosphären zu untersuchen. Während eines Transits wird ein Teil von dem Sternenlicht vom Planeten vollständig blockiert (was die Gesamtverdunkelung verursacht) und ein Teil wird durch die Planetenatmosphäre hindurch gelassen.
Da die verschiedenen Gase unterschiedliche Kombinationen von Farben absorbieren, können die Forscher kleine Helligkeitsunterschiede des durchgelassenen Lichts über ein Spektrum von Wellenlängen analysieren, um genau zu bestimmen, woraus eine Atmosphäre besteht. Mit seiner Kombination aus aufgeblähter Atmosphäre und häufigen Transits ist WASP-39 b ein ideales Ziel für die Transmissionsspektroskopie.
Erster eindeutiger Nachweis von Kohlendioxid
Das Forscherteam nutzte den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von Webb für seine Beobachtungen von WASP-39 b. Im resultierenden Spektrum der Atmosphäre des Exoplaneten ist ein kleiner Hügel zwischen 4,1 und 4,6 Mikrometer der erste klare und detaillierte Nachweis für Kohlendioxid, der jemals bei einem Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt wurde.
„Sobald die Daten auf meinem Bildschirm erschienen, packte mich das klare Kohlendioxid-Signal“, sagte Zafar Rustamkulov, Doktorand an der Johns Hopkins University und Mitglied des JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Teams, das diese Untersuchung durchführte. „Es war ein besonderer Moment, eine wichtige Schwelle in der Exoplanetenforschung zu überschreiten.“
Noch nie zuvor hat ein Observatorium solch subtile Helligkeitsunterschiede zwischen so vielen einzelnen Farben im Transmissionsspektrum eines Exoplaneten im Bereich von 3 bis 5,5 Mikrometern gemessen. Der Zugang zu diesem Teil des Spektrums ist entscheidend für die Messung der Häufigkeit von Gasen wie Wasser, Methan und Kohlendioxid, von denen man annimmt, daß sie bei vielen verschiedenen Arten von Exoplaneten vorkommen.
„Die Entdeckung eines so deutlichen Signals von Kohlendioxid auf WASP-39 ist ein gutes Zeichen für die Entdeckung von Atmosphären auf kleineren, erdgroßen Planeten“, sagt die Teamleiterin Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz.
Die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten zu verstehen ist wichtig, weil sie uns etwas über den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung verrät. „Kohlendioxidmoleküle sind empfindliche Indikatoren für die Geschichte der Planetenentstehung“, sagt Mike Line von der Arizona State University, ein weiteres Mitglied des Forschungsteams. „Durch die Messung dieses Kohlendioxid-Merkmals können wir feststellen, wie viel festes und wie viel gasförmiges Material zur Bildung dieses Gasriesen verwendet wurde. In den kommenden zehn Jahren wird JWST diese Messung für eine Vielzahl von Planeten durchführen und damit Einblicke in die Einzelheiten der Planetenentstehung und die Einzigartigkeit unseres eigenen Sonnensystems geben.“
Schnelle wissenschaftliche Veröffentlichung
Diese NIRSpec-Prismenbeobachtung von WASP-39 b ist Teil einer größeren Untersuchung, die Beobachtungen des Planeten mit mehreren Webb-Instrumenten sowie Beobachtungen von zwei anderen Transitplaneten umfaßt. Die Untersuchung, die Teil des Early Release Science-Programms ist, wurde entwickelt, um der Exoplaneten-Forschungsgemeinschaft schnellstmöglich zuverlässige Webb-Daten zur Verfügung zu stellen.
„Ziel ist es, die Early Release Science-Beobachtungen schnell zu analysieren und Quellen offene Werkzeuge zu entwickeln, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft genutzt werden können“, erklärte Vivien Parmentier, Co-Forscherin an der Universität Oxford. „Dies ermöglicht Beiträge aus der ganzen Welt und stellt sicher, daß die bestmögliche Wissenschaft aus den kommenden Jahrzehnten der Beobachtungen hervorgeht.“
Natasha Batalha, Mitautorin des Papiers vom Ames Research Center der NASA, fügt hinzu: „Die Leitprinzipien der offenen Wissenschaft der NASA stehen im Mittelpunkt unserer Early-Release-Wissenschaftsarbeit und unterstützen einen inklusiven, transparenten und partnerschaftlichen wissenschaftlichen Prozess.“
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).
Exoplanet WASP-39 b und sein Stern (Illustration)
- Fast Facts
- Objekt
- Objektname(n): WASP-39 b
- Objektbeschreibung: Heißer Gasriese, Exoplanet
- Rektaszension: 14:29:18.42
- Deklination: +03:26:40.2
- Sternbild: Virgo
- Entfernung: 700 Lichtjahre
Über das Bild: Diese Illustration zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b nach den derzeitigen Erkenntnissen über den Planeten aussehen könnte.
WASP-39 b ist ein heißer, aufgeblähter Gasriese mit der 0,28-fachen Masse von Jupiter (0,94-mal Saturn) und einem 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter, der seinen Stern in einer Entfernung von nur 0,0486 Astronomischen Einheiten (7.250.000 Kilometern) umkreist. Der Stern WASP-39 ist nur geringfügig kleiner und weniger massereich als die Sonne. Aufgrund der großen Nähe zu seinem Stern ist WASP-39 b sehr heiß und befindet sich vermutlich in einer Gezeitenkonstellation, bei der eine Seite immer dem Stern zugewandt ist.
Die von Webb‘s Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) gesammelten Daten zeigen eindeutige Hinweise auf Kohlendioxid in der Atmosphäre, während frühere Beobachtungen der NASA-Weltraumteleskope Hubble und Spitzer sowie anderer Teleskope auf das Vorhandensein von Wasserdampf, Natrium und Kalium hinweisen. Der Planet hat wahrscheinlich Wolken und irgendeine Form von Wetter, aber er hat möglicherweise keine atmosphärischen Bänder wie Jupiter und Saturn.
Diese Darstellung basiert auf indirekten Transitbeobachtungen durch Webb sowie anderen Weltraum- und Bodenteleskopen. Webb hat kein direktes Bild von diesem Planeten aufgenommen.
Exoplanet WASP-39 b (NIRSpec Transmission Spectrum)
- Fast Facts
- Objekt
- Objektname(n): WASP-39 b
- Objektbeschreibung: Heißer Gasriese, Exoplanet
- Rektaszension: 14:29:18.42
- Deklination: +03:26:40.2
- Sternbild: Virgo
- Entfernung: 700 Lichtjahre
- Daten
- Instrument: Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) PRISM, Helles Objekt im Zeitserienmodus
Über das Bild: Ein Transmissionsspektrum des heißen Gasriesen WASP-39 b, das von Webb mit dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) am 10. Juli 2022 aufgenommen wurde, liefert den ersten eindeutigen Nachweis für Kohlendioxid auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems. Dies ist auch das erste detaillierte Transmissionsspektrum eines Exoplaneten, das jemals aufgenommen wurde und Wellenlängen zwischen 3 und 5,5 Mikrometern abdeckt.
Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem man das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, während er sich vor dem Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht vergleicht, das erfaßt wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Jeder der 95 Datenpunkte (weiße Kreise) in diesem Graph stellt den Anteil einer bestimmten Wellenlänge des Lichts dar, der vom Planeten blockiert und von seiner Atmosphäre absorbiert wird. Wellenlängen, die bevorzugt von der Atmosphäre absorbiert werden, erscheinen als Spitzenwerte im Transmissionsspektrum. Der Peak bei 4,3 Mikrometern steht für das von Kohlendioxid absorbierte Licht.
Die grauen Linien, die sich über und unter jedem Datenpunkt erstrecken, sind Fehlerbalken, die die Unsicherheit der einzelnen Messungen bzw. den angemessenen Bereich der tatsächlich möglichen Werte angeben. Für eine einzelne Beobachtung ist der Fehler bei diesen Messungen extrem gering.
Die blaue Linie ist ein Modell für die beste Anpassung (Best-Fit-Modell), 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. Die Forscher können die Parameter des Modells variieren und so nicht bekannte Eigenschaften wie die Wolkenhöhe in der Atmosphäre und die Häufigkeit verschiedener Gase verändern, um eine verbesserte Anpassung zu erzielen und die Atmosphäre besser zu verstehen. Das hier gezeigte Modell geht davon aus, daß der Planet hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, mit geringen Mengen Wasser und Kohlendioxid und einem dünnen Wolkenschleier.
Die Beobachtung wurde mit dem NIRSpec PRISM-Zeitserienmodus für helle Objekte durchgeführt, bei dem ein Prisma verwendet wird, um das Licht eines einzelnen hellen Objekts (wie des Sterns WASP-39) zu streuen und die Helligkeit jeder Wellenlänge in bestimmten Zeitintervallen zu messen.
WASP-39 b ist ein heißer Gasriese, der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern im Sternbild Jungfrau umkreist. Der Planet umkreist seinen Stern in extrem kurzer Entfernung (weniger als ein Zwanzigstel der Entfernung zwischen Erde und Sonne) und vollendet einen Umlauf in etwas mehr als vier Erdtagen. Die Entdeckung des Planeten, die auf bodengestützte Beobachtungen beruht, wurde im Jahr 2011 bekannt gegeben. Der Stern, WASP-39, hat ungefähr die gleiche Größe, Masse, Temperatur und Farbe wie die Sonne.
Die Hintergrundillustration von WASP-39 b und seinem Stern beruht auf den aktuellen Erkenntnissen über den Planeten aus der Webb-Spektroskopie sowie früheren boden- und weltraumgestützten Beobachtungen. Webb hat kein direktes Bild von dem Planeten oder seiner Atmosphäre aufgenommen.
Exoplanet WASP-39 b (NIRSpec Transit Light Curves)
- Fast Facts
- Objekt
- Objektname(n): WASP-39 b
- Objektbeschreibung: Heißer Gasriese, Exoplanet
- Rektaszension: 14:29:18.42
- Deklination: +03:26:40.2
- Sternbild: Virgo
- Entfernung: 700 Lichtjahre
- Daten
- Instrument: Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) PRISM, Helles Objekt im Zeitserienmodus
Über das Bild: Eine Reihe von Lichtkurven des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von Webb zeigt die Veränderung der Helligkeit von drei verschiedenen Wellenlängen (Farben) des Lichts des WASP-39-Sternsystems im Laufe der Zeit, als der Planet vor dem Stern am 10. Juli 2022 vorüberzog. Ein Transit findet statt, wenn sich ein Planet zwischen den Stern und das Teleskop schiebt und einen Teil des Lichts des Sterns blockiert.
Diese Beobachtung wurde mit dem NIRSpec PRISM-Zeitserienmodus für helle Objekte durchgeführt, bei dem ein Prisma verwendet wird, um das Licht eines einzelnen hellen Objekts (wie des Sterns WASP-39) zu streuen und die Helligkeit jeder Wellenlänge in bestimmten Zeitintervallen zu messen.
Um diese Daten zu erfassen, beobachtete Webb das Sternsystem WASP-39 mehr als acht Stunden lang, beginnend etwa drei Stunden vor dem Transit und endend etwa zwei Stunden nach Abschluß des Transits. Der Transit selbst dauerte etwa drei Stunden. Jede hier gezeigte Kurve enthält insgesamt 500 einzelne Helligkeitsmessungen – etwa eine pro Minute.
Obwohl alle Wellenlängen bis zu einem gewissen Grad durch den Planeten blockiert werden, werden einige Farben stärker blockiert als andere. Dies ist darauf zurückzuführen, daß jedes Gas in der Atmosphäre bestimmte Wellenlängen in unterschiedlichem Maße absorbiert. Infolgedessen hat jede Farbe eine etwas andere Lichtkurve. Während des Transits von WASP-39 b ist Licht mit einer Wellenlänge von 4,3 Mikrometern nicht so hell wie Licht mit 3,0 oder 4,7 Mikrometern, weil es von Kohlendioxid absorbiert wird.
WASP-39 b ist ein heißer Gasriese, der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern im Sternbild Jungfrau umkreist. Der Planet umkreist seinen Stern in extrem kurzer Entfernung (weniger als ein Zwanzigstel der Entfernung zwischen Erde und Sonne) und vollendet einen Umlauf in etwas mehr als vier Erdtagen. Der Stern, WASP-39, hat ungefähr die gleiche Größe, Masse, Temperatur und Farbe wie die Sonne. Die Entdeckung des Planeten durch bodengestützte Beobachtungen wurde im Jahr 2011 bekannt gegeben.
Die Hintergrundillustration von WASP-39 b und seinem Stern beruht auf den aktuellen Erkenntnissen über den Planeten, die aus der Webb-Spektroskopie sowie früheren boden- und weltraumgestützten Beobachtungen stammen. Webb hat kein direktes Bild von dem Planeten oder seiner Atmosphäre aufgenommen.
