NASA‘s Webb enthüllt Exoplaneten-Atmosphäre, wie sie nie zuvor zu sehen war

Originalveröffentlichung am 22.11.2022 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Beobachtungen von WASP-39b zeigen Fingerabdrücke von Atomen und Molekülen sowie Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken

WASP-39 b ist ein Planet, der mit keinem anderen in unserem Sonnensystem vergleichbar ist – ein Ungetüm von der Größe des Saturn, der seinen Stern näher umkreist als Merkur unsere Sonne. Dieser Exoplanet war einer der ersten, den das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA untersuchte, als es seinen regulären Wissenschaftsbetrieb aufnahm. Die Ergebnisse haben die Gemeinde der Exoplanetenforscher begeistert. Die äußerst empfindlichen Instrumente des Webb-Teleskops haben ein Profil der atmosphärischen Bestandteile von WASP-39 b erstellt und eine Flut von Stoffen identifiziert, darunter Wasser, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Natrium und Kalium. Die Ergebnisse sind ein gutes Zeichen für die Fähigkeit der Webb-Instrumente, ein breites Spektrum von Untersuchungen für alle Arten an Exoplaneten durchzuführen, einschließlich kleiner, felsiger Welten wie die im TRAPPIST-1-System.

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

Während Webb und andere Weltraumteleskope der NASA, darunter Hubble und Spitzer, bisher nur einzelne Bestandteile der Atmosphäre dieses brodelnden Planeten aufgedeckt haben, liefern die neuen Messungen von Webb ein komplettes Menü von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen aktiver Chemie sowie Wolken.

Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Wolken aus der Nähe aussehen könnten: aufgerissen, und nicht 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 ungefähr so groß wie Saturn ist, sich aber in einer engeren Umlaufbahn als Merkur befindet), der einen Stern in ungefähr 700 Lichtjahren Entfernung umkreist.

Die Ergebnisse sind ein gutes Omen für die Fähigkeit der Webb-Instrumente, die breites Spektrum an Untersuchungen für alle Arten von Exoplaneten –Planeten um andere Sterne – durchzuführen, die sich die Wissenschaft erhofft. Dazu gehört auch die Untersuchung der Atmosphären kleinerer, felsiger Planeten wie denen des TRAPPIST-1-Systems.

„Wir haben den Exoplaneten mit mehreren Instrumenten beobachtet, die zusammen einen breiten Streifen des Infrarotspektrums und eine Vielzahl chemischer Fingerabdrücke liefern, die bis zu dieser Mission unzugänglich waren“, so Natalie Batalha, Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die an der neuen Untersuchung mitgewirkt und koordiniert hat. „Daten wie diese sind ein Wendepunkt“.

Die Serie an Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neuen wissenschaftlichen Artikeln beschrieben, von denen drei im Druck sind und zwei noch geprüft werden. Zu den beispiellosen Entdeckungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid (SO₂) in der Atmosphäre eines Exoplaneten, ein Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht vom Mutterstern des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde wird auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre erzeugt.

„Zum ersten Mal sehen wir konkrete Beweise für Photochemie – chemische Reaktionen, die durch energiereiches Sternenlicht ausgelöst werden – auf Exoplaneten“, sagte Shang-Min Tsai, Forscher an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich und Hauptautor der Arbeit, die den Ursprung des Schwefeldioxids in der Atmosphäre von WASP-39 b erklärt. „Ich sehe das als eine wirklich erfolgversprechende Perspektive, um unser Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten mit [dieser Mission] voranzubringen.“

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

„Planeten werden durch ihre Umlaufbahn im Strahlungsbad des Wirtssterns geformt und umgewandelt“, so Batalha. „Auf der Erde ermöglicht dieser Wandel das Gedeihen von Leben.“

Die Nähe des Planeten zu seinem Wirtsstern – achtmal näher als der Merkur zu unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung des Heimatsterns auf Exoplaneten. Bessere Kenntnisse über die Verbindung zwischen Stern und Planet sollten zu einem tieferen Verständnis darüber führen, wie diese Prozesse die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten beeinflussen.

Um Licht von WASP-39 b zu sehen, verfolgte Webb den Planeten, während er vor seinem Stern vorbeizog, so daß ein Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert wurde. Die verschiedenen Arten von Substanzen in der Atmosphäre absorbieren unterschiedliche Farben aus dem Spektrum des Sternenlichts, so daß die fehlenden Farben den Astronomen Aufschluß darüber geben, welche Moleküle vorhanden sind. Durch die Betrachtung des Universums im Infrarotlicht kann Webb chemische Fingerabdrücke aufnehmen, die im sichtbaren Licht nicht zu entdecken sind.

Vom Webb-Teleskop entdeckte, weitere atmosphärische Bestandteile sind Natrium (Na), Kalium (K) und Wasserdampf (H₂O). Damit wurden frühere Beobachtungen von Weltraum- und Bodenteleskopen bestätigt sowie zusätzliche spektrale Signaturen von Wasser bei diesen längeren Wellenlängen gefunden, die bisher noch nicht beobachtet wurden.

Webb konnte auch Kohlendioxid (CO₂) in höherer Auflösung erkennen und lieferte doppelt so viele Daten wie bei seinen früheren Beobachtungen. Inzwischen wurde auch Kohlenmonoxid (CO) entdeckt, aber offensichtliche Anzeichen von Methan (CH₄) und Schwefelwasserstoff (H₂S) waren in den Webb-Daten nicht zu finden. Falls vorhanden, treten diese Moleküle in sehr geringen Mengen auf.

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

„Wir hatten vorausgesagt, was [das Teleskop] uns zeigen würde, aber es war präziser, vielfältiger und schöner, als ich es mir vorgestellt hatte“, sagte Hannah Wakeford, Astrophysikerin an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich, die sich mit der Atmosphäre von Exoplaneten beschäftigt.

Eine so vollständige Liste der chemischen Bestandteile einer Exoplanetenatmosphäre gibt den Wissenschaftlern auch Aufschluß über die Häufigkeit der verschiedenen Elemente im Verhältnis zueinander, etwa über das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff oder Kalium zu Sauerstoff. Dies wiederum gibt Aufschluß darüber, wie sich dieser Planet – und vielleicht auch andere – in jungen Jahren aus der Gas- und Staubscheibe um den Mutterstern gebildet hat.

Das chemische Inventar von WASP-39 b deutet auf eine Geschichte von Zusammenstößen und Verschmelzungen kleinerer Körper, so genannter Planetesimale, hin, aus denen sich schließlich ein riesiger Planet entwickelte.

„Die Häufigkeit von Schwefel [im Verhältnis zu] Wasserstoff zeigt an, daß der Planet vermutlich eine bedeutende Akkretion von Planetesimalen erfahren hat, die [diese Bestandteile] in die Atmosphäre einbringen können“, sagte Kazumasa Ohno, ein Exoplanetenforscher der UC Santa Cruz, der an den Webb-Daten gearbeitet hat. „Die Daten deuten auch darauf hin, daß der Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als der Kohlenstoff. Das ist möglicherweise ein Hinweis darauf, daß WASP-39 b ursprünglich weit entfernt vom Zentralstern entstanden ist.“

Die Instrumente des Webb-Teleskops haben bei der präzisen Analyse der Atmosphäre eines Exoplaneten die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der großen Vielfalt von Exoplaneten in der Galaxis.

„Wir werden in der Lage sein, das Gesamtbild der Atmosphären von Exoplaneten zu sehen“, sagte Laura Flagg, eine Forscherin an der Cornell University und Mitglied des internationalen Teams. „Es ist unglaublich aufregend, zu wissen, daß alles neu geschrieben werden wird. Das ist eine der schönsten Seiten des Wissenschaftlerdaseins.“

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).

Literatur:

Exoplanet WASP-39 b und sein Stern (Illustration)

Fast Facts
Objekt
Objektname(n): WASP-39 b
Objektbeschreibung: Heißer Gasriesen-Exoplanet
Rektaszension: 14:29:18.42
Deklination: +03:26:40.2
Sternbild: Virgo
Entfernung: 700 Lichtjahre

Über das Bild: Diese Darstellung 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 einer 0,28-fachen Masse (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 (7.240.000 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 umkreist ihn wahrscheinlich mit gebundener Rotation, bei der eine Seite immer dem Stern zugewandt ist.

Die äußerst empfindlichen Instrumente vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA haben ein Profil der atmosphärischen Bestandteile von WASP-39 b erstellt und eine Fülle von Stoffen identifiziert, darunter Wasser, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Natrium und Kalium.

Diese Darstellung beruht auf indirekten Transitbeobachtungen von Webb sowie anderen weltraum- und bodengestützten Teleskopen. Webb hat kein direktes Bild von diesem Planeten aufgenommen.

Exoplanet WASP-39 b (Transmission Spectra)

Fast Facts
Objekt
Objektname(n): WASP-39 b
Objektbeschreibung: Heißer Gasriesen-Exoplanet
Rektaszension: 14:29:18.42
Deklination: +03:26:40.2
Sternbild: Virgo
Entfernung: 700 Lichtjahre

Über das Bild: Die atmosphärische Zusammensetzung des heißen Gasriesen WASP-39 b ist vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA aufgedeckt worden. Diese Graphik zeigt vier Transmissionsspektren von drei der Webb-Instrumente, die in vier Instrumentenmodi betrieben werden. Alle sind mit einer gleichen Skala dargestellt, die von 0,5 bis 5,5 Mikrometer reicht.

Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, während er sich vor dem Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht verglichen wird, das erfaßt wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Jeder der Datenpunkte (weiße Kreise) auf diesen Diagrammen 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.

Die blaue Linie ist ein 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 unbekannte Eigenschaften wie die Wolkenhöhe in der Atmosphäre und die Häufigkeit verschiedener Gase verändern, um eine bessere Anpassung zu erzielen und die Atmosphäre besser zu verstehen.

Oben links zeigen die Daten von NIRISS Signaturen von Kalium (K), Wasser (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Oben rechts zeigen Daten von NIRCam eine auffällige Wassersignatur. Unten links zeigen die Daten von NIRSpec Wasser, Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO). Unten rechts zeigen zusätzliche NIRSpec-Daten alle diese Moleküle sowie Natrium (Na). (Alle vier gewonnenen Spektren sind nachfolgend einzeln dargestellt.)

Exoplanet WASP-39 b (NIRISS)

Exoplanet WASP-39 b (NIRCam F322W2)

Exoplanet WASP-39 b (NIRSpec G395H)

Exoplanet WASP-39 b (NIRSpec PRISM)