Originalveröffentlichung am 05.05.2025 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases
Zusammenfassung: Wissenschaftler bestimmen die atmosphärische Zusammensetzung eines kleinen, heißen, gashaltigen Sub-Neptuns
Sie sind viel kleiner als Gasriesen und in der Regel kühler als heiße Jupiter. Vor dem Start des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA war es äußerst schwierig, Sub-Neptune zu beobachten. Obwohl sie die häufigste Art von Exoplaneten in unserer Galaxis zu sein scheinen, findet man sie nicht in unserem Sonnensystem. Astronomen versuchen zu verstehen, wie sich diese Planeten gebildet und entwickelt haben, warum sie so häufig sind und warum sie nicht um unsere Sonne kreisen.
Erschwerend kommt hinzu, daß viele Sub-Neptune sehr stark von Wolken und Dunstschleiern verdeckt sind, so daß es unmöglich war, ihre atmosphärische Zusammensetzung zu bestimmen. Jetzt haben Wissenschaftler mit Webb den heißen Sub-Neptun TOI-421 b untersucht und die chemischen Fingerabdrücke seiner Atmosphäre entdeckt. Hat sich dieser Exoplanet anders gebildet und entwickelt als die zuvor beobachteten kühleren Sub-Neptune? Deuten die Unterschiede von TOI-421 b auf eine neue Klassifizierung heißer Sub-Neptune hin, oder handelt es sich einfach um eine große Vielfalt von Exoplaneten? Mit Hilfe von Webb hoffen die Forscher, dies herauszufinden.
Obwohl sie nicht um unsere Sonne kreisen, sind Sub-Neptune die häufigste Art von Exoplaneten oder Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die in unserer Galaxis beobachtet wurden. Diese kleinen, gashaltigen Planeten sind in Geheimnisse gehüllt… und oft in eine Menge Dunst. Mit der Beobachtung des Exoplaneten TOI-421 b hilft NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop den Wissenschaftlern, die Sub-Neptune auf eine Weise zu verstehen, die vor dem Start des Teleskops nicht möglich war.
„Ich habe mein ganzes Berufsleben lang auf Webb gewartet, damit wir die Atmosphären dieser kleineren Planeten sinnvoll charakterisieren können“, sagte die leitende Forscherin Eliza Kempton von der University of Maryland, College Park. „Durch die Untersuchung ihrer Atmosphären können wir besser verstehen, wie sich Sub-Neptune gebildet und entwickelt haben, und dazu gehört auch, daß wir verstehen, warum sie in unserem Sonnensystem nicht existieren.“
Klein, kühl, in Dunst gehüllt
Die Existenz von Sub-Neptunen war unerwartet, bevor sie im letzten Jahrzehnt von dem abgeschalteten Kepler-Weltraumteleskop der NASA entdeckt wurden. Jetzt versuchen die Astronomen zu verstehen, woher diese Planeten kommen und warum sie so häufig sind.
Vor Webb hatten die Wissenschaftler nur sehr wenige Informationen über sie. Sub-Neptune sind zwar einige Male größer als die Erde, aber immer noch viel kleiner als Gasriesen und in der Regel kühler als heiße Jupiter, was ihre Beobachtung sehr viel schwieriger gestaltet als die ihrer Gasriesen-Gegenstücke.
Eine wichtige Erkenntnis aus der Zeit vor Webb war, daß die meisten Sub-Neptun-Atmosphären flache oder unauffällige Transmissionsspektren aufweisen. Das bedeutet, daß die Wissenschaftler bei der Beobachtung des Spektrums des Planeten, wenn er vor seinem Wirtsstern vorbeizieht, statt spektraler Merkmale – der chemischen Fingerabdrücke, die Aufschluß über die Zusammensetzung der Atmosphäre geben würden – nur ein flaches Spektrum sahen. Aus all diesen flachen Spektren schlossen die Astronomen, daß zumindest bestimmte Sub-Neptune wahrscheinlich sehr stark durch Wolken oder Dunst verdeckt waren.
Eine andere Art von Sub-Neptun?
„Warum haben wir diesen Planeten, TOI-421 b, beobachtet? Weil wir dachten, daß er möglicherweise keine Dunstschleier hat“, sagt Kempton. „Und der Grund dafür ist, daß es einige frühere Daten gab, die darauf hindeuteten, daß Planeten über einem bestimmten Temperaturbereich vielleicht weniger von Dunst oder Wolken umhüllt sind als andere.“
Diese Temperaturschwelle liegt bei etwa 577 Grad Celsius. Darunter, so die Hypothese der Wissenschaftler, würden komplexe photochemische Reaktionen zwischen Sonnenlicht und Methangas ablaufen, die den Dunst verursachen würden. Heißere Planeten sollten jedoch kein Methangas enthalten und daher vielleicht auch keinen Dunst aufweisen.
Die Temperatur von TOI-421 b beträgt etwa 727 Grad Celsius und liegt damit weit über dem vermuteten Schwellenwert. Ohne Dunst oder Wolken erwarteten die Forscher eine klare Atmosphäre – und das taten sie auch!
Ein überraschender Befund
„Wir sahen spektrale Merkmale, die wir verschiedenen Gasen zuschreiben, und das erlaubte uns, die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen“, sagte Brian Davenport von der University of Maryland, ein Doktorand im dritten Jahr, der die erste Datenanalyse durchführte. „Bei vielen anderen Sub-Neptunen, die zuvor beobachtet wurden, wissen wir zwar, daß ihre Atmosphären aus etwas bestehen, aber sie werden durch Dunst verborgen.“
Das Team fand Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten sowie vage Anzeichen von Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid. Dann gibt es Moleküle, wie Methan und Kohlendioxid, die das Team nicht nachweisen konnte. Aus den Daten läßt sich auch ableiten, daß sich in der Atmosphäre von TOI-421 b eine große Menge Wasserstoff befindet.
Die leichte Atmosphäre aus Wasserstoff war die große Überraschung für die Forscher. „Wir waren bis vor kurzem davon ausgegangen, daß die ersten von Webb beobachteten Sub-Neptune Atmosphären mit schweren Molekülen haben, und haben dann das Gegenteil gefunden“, sagt Kempton. Dies deutet darauf hin, daß sich TOI-421 b anders als die zuvor beobachteten kühleren Sub-Neptune gebildet und entwickelt haben könnte.
Ist TOI-421 b einzigartig?
Die von Wasserstoff dominierte Atmosphäre ist auch deshalb interessant, da sie die Zusammensetzung des Wirtssterns von TOI-421 b nachahmt. „Wenn man einfach dasselbe Gas, aus dem der Heimatstern besteht, auf die Atmosphäre eines Planeten legen würde, und zwar bei der viel kühleren Temperatur dieses Planeten, würde man die gleiche Kombination von Gasen erhalten. Dieser Prozeß stimmt eher mit den Riesenplaneten in unserem Sonnensystem überein, und er unterscheidet sich von anderen Sub-Neptunen, die bisher mit Webb beobachtet wurden“, so Kempton.
TOI-421 b ist nicht nur heißer als andere bisher mit Webb beobachtete Sub-Neptune, sondern umkreist auch einen sonnenähnlichen Stern. Die meisten anderen Sub-Neptune, die bisher beobachtet wurden, umkreisen kleinere, kühlere Sterne, so genannte Rote Zwerge.
Ist TOI-421b ein Beispiel für heiße Sub-Neptune, die einen sonnenähnlichen Stern umkreisen, oder ist es nur so, daß Exoplaneten sehr vielfältig sind? Um das herauszufinden, möchten die Forscher weitere heiße Sub-Neptune beobachten, um festzustellen, ob es sich um einen Einzelfall oder einen allgemeineren Trend handelt. Sie hoffen, Einblicke in die Entstehung und Entwicklung dieser häufigen Exoplaneten zu gewinnen.
„Wir haben einen neuen Weg gefunden, diese Sub-Neptune zu untersuchen“, sagt Davenport. „Diese Hochtemperaturplaneten lassen sich gut charakterisieren. Indem wir uns Sub-Neptune mit dieser Temperatur ansehen, können wir vielleicht schneller mehr über diese Planeten erfahren.“
Die Ergebnisse des Teams erscheinen am 5. Mai in den Astrophysical Journal Letters.
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).
Abbildung des heißen Sub-Neptun-Exoplaneten
Über das Bild: Dieser künstlerische Entwurf zeigt, wie der heiße Sub-Neptun TOI-421 b aussehen könnte.
TOI-421 b umkreist einen sonnenähnlichen Stern in circa 244 Lichtjahren Entfernung von der Erde im Sternbild Lepus (der Hase). Der Planet liegt in Bezug auf Größe, Masse und Dichte zwischen Erde und Neptun, und sein Stern ist etwas kleiner und kühler als die Sonne. Da der Planet jedoch extrem nah an seinem Stern kreist (nur 0,056 Astronomische Einheiten oder 5,6 % der Entfernung zwischen Erde und Sonne), ist er sehr heiß.
Spektroskopische Beobachtungen von TOI-421 b, die von NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) und NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) auf NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurden, zeigen deutliche Hinweise auf Wasser (H2O) und die mögliche Anwesenheit von Schwefeldioxid (SO2) und Kohlenmonoxid (CO) in der wasserstoffreichen Atmosphäre des Planeten. Im Gegensatz zu kühleren Sub-Neptunen scheint TOI-421 b eine klare Atmosphäre zu haben, die nicht von Wolken und Dunst durchsetzt ist.
Dieser künstlerische Entwurf basiert auf spektroskopischen Daten, die von Webb gesammelt wurden, sowie auf früheren Beobachtungen anderer Teleskope am Boden und im Weltraum. Webb hat noch keine Bilder des Planeten aufgenommen.
Spektrum des heißen Sub-Neptun
Über das Bild: Ein vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA aufgenommenes Transmissionsspektrum zeigt das Vorhandensein von Wasser (H2O) und das mögliche Vorkommen von Schwefeldioxid (SO2) und Kohlenmonoxid (CO), aber keine Anzeichen von Kohlendioxid (CO2) oder Methan (CH4) in der Atmosphäre des heißen Sub-Neptun-Exoplaneten TOI-421 b. Die Beobachtungen stützen die Hypothese, daß so heiße Planeten (TOI-421 b hat eine Temperatur von ungefähr 727 Grad Celsius) klare Atmosphären haben, die nicht von Wolken und Dunst durchsetzt sind.
Das Spektrum wurde durch Messung der Abnahme der scheinbaren Helligkeit verschiedener Wellenlängen (Farben) des Sternenlichts während des Transits des Planeten Bzw. seiner Bewegung über die Oberfläche des Sterns erstellt. Während eines Transits werden einige Wellenlängen des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten durchgelassen, während andere teilweise blockiert werden. Da jedes Molekül eine einzigartige Kombination von Wellenlängen absorbiert, kann das Transmissionsspektrum dazu verwendet werden, Gase in der Atmosphäre zu identifizieren.
Dieses Spektrum wurde durch die Kombination von Daten erstellt, die im Jahr 2023 von Webb’s NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) und NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) aufgenommen wurden.