Originalveröffentlichung am 12.07.2022 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases
Zusammenfassung: Webb’s riesiger Spiegel und die Präzisionsinstrumente vereinen ihre Möglichkeiten, um das bisher detaillierteste Spektrum einer Exoplanetenatmosphäre aufzunehmen
Für Exoplanetenforscher ist ein Traum wahr geworden: NASA‘s James-Webb-Weltraumteleskop hat seine beispiellose Fähigkeit unter Beweis gestellt, die Atmosphäre eines mehr als 1.000 Lichtjahre entfernten Planeten zu untersuchen. Mit den vereinten Kräften seines 25 Quadratmeter großen Spiegels, der Präzisionsspektrographen und der empfindlichen Detektoren hat Webb – in einer einzigen Beobachtung – die eindeutige Signatur von Wasser, Anhaltspunkte für Dunst und Beweise für Wolken aufgedeckt, von denen man aufgrund früherer Beobachtungen annahm, daß sie nicht existieren. Das Transmissionsspektrum des heißen Gasriesen WASP-96 b, das mit dem Nahinfrarot-Imager und dem spaltlosen Spektrographen von Webb aufgenommen wurde, gibt nur einen kleinen Einblick in die brillante Zukunft der Exoplanetenforschung mit Webb.
NASA‘s James-Webb-Weltraumteleskop hat in der Atmosphäre eines heißen, aufgeblähten Gasriesen, der einen fernen, sonnenähnlichen Stern umkreist, die ausgeprägte Signatur von Wasser sowie Hinweise auf Wolken und Dunst eingefangen.
Die Beobachtung, die das Vorhandensein bestimmter Gasmoleküle anhand winziger Abnahmen der Helligkeit genauer Farben des Lichts aufzeigt, ist die bisher genaueste ihrer Art und beweist die beispiellose Fähigkeit von Webb, Atmosphären zu untersuchen, die Hunderte von Lichtjahren entfernt sind.
Während das Hubble-Weltraumteleskop im Verlauf der vergangenen zwei Jahrzehnte zahlreiche Atmosphären von Exoplaneten ausgewertet und 2013 den ersten eindeutigen Nachweis von Wasser erbracht hat, stellt die unmittelbare und detailliertere Beobachtung durch Webb einen großen Fortschritt bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten jenseits der Erde dar.
WASP-96 b ist einer von mehr als 5.000 bestätigten Exoplaneten in der Milchstraße. Er befindet sich in ungefähr 1.150 Lichtjahren Entfernung im südlichen Sternbild Phönix und repräsentiert eine Art von Gasriesen, die in unserem Sonnensystem keine direkte Entsprechung hat. Mit einer Masse, die weniger als halb so groß ist wie die des Jupiters, und einem Durchmesser, der 1,2 Mal größer ist, ist WASP-96 b viel aufgeblähter als jeder Planet, der unsere Sonne umkreist. Und mit einer Temperatur von mehr als 538 °C ist er auch wesentlich heißer. WASP-96 b umkreist seinen sonnenähnlichen Stern extrem nah, nur ein Neuntel des Abstands zwischen Merkur und Sonne, und bewältigt alle 3½ Erdtage einen Umlauf.
Die Verbindung aus Größe, kurzer Umlaufzeit, aufgeblähter Atmosphäre und dem Fehlen von störendem Licht benachbarter Objekte am Himmel macht WASP-96 b zu einem idealen Ziel für atmosphärische Beobachtungen.
Am 21. Juni hat der Nahinfrarot-Imager und spaltlose Spektrograf (NIRISS) von Webb das Licht des Systems WASP-96 für 6,4 Stunden gemessen, als sich der Planet vor dem Stern bewegte. Das Ergebnis ist eine Lichtkurve, die die allgemeine Abschwächung des Sternenlichts während des Transits zeigt, und ein Transmissionsspektrum, das die Helligkeitsänderung einzelner Wellenlängen des Infrarotlichts zwischen 0,6 und 2,8 Mikrometern offenbart.
Während die Lichtkurve Eigenschaften des Planeten bestätigt, die bereits aus anderen Beobachtungen ermittelt waren – die Existenz, die Größe und die Umlaufbahn des Planeten – enthüllt das Transmissionsspektrum bisher verborgene Einzelheiten der Atmosphäre: Die eindeutige Signatur von Wasser, Hinweise auf Dunst und Anzeichen von Wolken, von denen man aufgrund früherer Beobachtungen annahm, daß sie nicht existieren.
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, daß erfaßt wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Anhand des Absorptionsmusters, d. h. der Lage und Höhe der Spitzen im Diagramm, können die Forscher die Häufigkeit der wichtigsten Gase in der Atmosphäre eines Planeten erkennen und messen. So wie Menschen unverwechselbare Fingerabdrücke und DNA-Sequenzen besitzen, so haben auch Atome und Moleküle charakteristische Muster von Wellenlängen, die sie absorbieren.
Das durch NIRISS aufgenommene Spektrum von WASP-96 b ist nicht nur das detaillierteste Nahinfrarot- Transmissionsspektrum der Atmosphäre eines Exoplaneten, das bisher aufgenommen wurde, sondern deckt auch einen bemerkenswert breiten Wellenlängenbereich ab, einschließlich sichtbarem roten Licht und einem Teil des Spektrums, der bisher anderen Teleskopen nicht zugänglich war (Wellenlängen über 1,6 Mikrometer). Dieser Teil des Spektrums ist besonders empfindlich für Wasser und andere Schlüsselmoleküle wie Sauerstoff, Methan und Kohlendioxid, die im Spektrum von WASP-96 b nicht sofort zu erkennen sind, die aber bei anderen Exoplaneten, die von Webb beobachtet werden sollen, nachweisbar sein sollten.
Mit Hilfe des Spektrums können die Forscher die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre messen, die Häufigkeit verschiedener Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff einschränken und die Temperatur der Atmosphäre in der Tiefe abschätzen. Anhand dieser Informationen können sie dann Rückschlüsse auf die allgemeine Zusammensetzung des Planeten sowie darauf ziehen, wie, wann und wo er entstanden ist. Die blaue Linie im Diagramm ist das am besten angepaßte Modell, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-96 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die angenommenen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.
Die außerordentliche Detailgenauigkeit und Klarheit dieser Messungen wird durch das hochmoderne Design von Webb ermöglicht. Sein 25 Quadratmeter großer, goldbeschichteter Spiegel sammelt das Infrarotlicht effizient ein. Die Präzisionsspektrographen von Webb entzerren das Licht in Regenbögen aus Tausenden von Infrarotfarben. Und seine empfindlichen Infrarotdetektoren messen extrem feine Helligkeitsunterschiede. NIRISS ist in der Lage, Farbunterschiede von nur ungefähr einem Tausendstel eines Mikrometers (der Unterschied zwischen Grün und Gelb beträgt ungefähr 50 Tausendstel eines Mikrometers) und Helligkeitsunterschiede zwischen diesen Farben von einigen hundert Teilen pro Million zu erkennen.
Darüber hinaus sorgen die extreme Stabilität von Webb und seine Position auf der Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt 2, der etwa eine 1,6 Millionen Kilometer von den verunreinigenden Auswirkungen der Erdatmosphäre entfernt ist, für einen ununterbrochenen Blick und saubere Daten, die relativ schnell ausgewertet werden können.
Das außerordentlich detaillierte Spektrum – durch die gleichzeitige Analyse von 280 Einzelspektren während der Beobachtung entstanden – gibt nur eine Andeutung darauf, was Webb für die Exoplanetenforschung bereithält. Im Laufe des kommenden Jahres werden die Wissenschaftler die Spektroskopie nutzen, um die Oberflächen und Atmosphären von mehreren Dutzend Exoplaneten auszuwerten, von kleinen Gesteinsplaneten bis hin zu gas- und eisreichen Giganten. Fast ein Viertel der Beobachtungszeit von Webb im Zyklus 1 ist für die Untersuchung von Exoplaneten und den Materialien, aus denen sie bestehen, vorgesehen.
Diese NIRISS-Beobachtung zeigt, daß Webb in der Lage ist, die Atmosphären von Exoplaneten – einschließlich der Atmosphären von potenziell bewohnba-ren Planeten – bis ins kleinste Detail zu charakterisieren.
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).
Die NASA-Zentrale überwacht die Mission für die Science Mission Abteilung der Behörde. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitet Webb für die Behörde und beaufsichtigt die Arbeit des Space Telescope Science Institute, von Northrop Grumman und anderen Missionspartnern an der Mission. Neben Goddard haben mehrere NASA-Zentren an dem Projekt mitgewirkt, darunter das Johnson Space Center der Behörde in Houston, das Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Südkalifornien, das Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, das Ames Research Center im kalifornischen Silicon Valley, und andere.
NIRISS wurde von der kanadischen Weltraumbehörde (CSA) beigesteuert. Das Instrument wurde von Honeywell in Zusammenarbeit mit der Université de Montréal und dem National Research Council Canada entwickelt und gebaut.
Exoplanet WASP-96 b (NIRISS Transmission Spectrum)
- Fast Facts
- Objekt
- Objektname(n): WASP-96 b
- Objektbeschreibung: Heißer Gasriese-Exoplanet
- Rektaszension: 00:04:11.18
- Deklination: -47:21:38.29
- Sternbild: Phoenix
- Entfernung: 350 Parsec (1.150 Lichtjahre)
- Abmessung: 1,2-fache des Jupiterradius (13,5-mal der Erdradius) und 0,48-fache der Jupitermasse (153-mal die Erdmasse)
- Daten
- Instrument: Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), time-series Single-Object Slitless Spectroscopy (SOSS) mode
Über das Bild: Ein Transmissionsspektrum, das aus einer einzigen Beobachtung mit dem Nahinfrarot-Imager und spaltlosen Spektrographen (NIRISS) von Webb stammt, zeigt die atmosphärischen Eigenschaften des heißen Gasriesen WASP-96 b.
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 141 Datenpunkte (weiße Kreise) in diesem Diagramm stellt den Anteil einer bestimmten Wellenlänge des Lichts dar, der vom Planeten blockiert und von dessen Atmosphäre absorbiert wird.
Bei dieser Beobachtung reichen die von NIRISS erfaßten Wellenlängen von 0,6 Mikrometern (rot) bis 2,8 Mikrometern (im Nahinfrarot). Die Menge des blockierten Sternenlichts reicht von etwa 13.600 Teilen pro Million (1,36 Prozent) bis 14.700 Teilen pro Million (1,47 Prozent).
Forscher sind in der Lage, die Häufigkeit der wichtigsten Gase in der Atmosphäre eines Planeten anhand des Absorptionsmusters – der Lage und Höhe der Spitzen in der Grafik – zu erkennen und zu messen: Jedes Gas hat eine charakteristische Gruppe von Wellenlängen, die es absorbiert. Die Temperatur der Atmosphäre kann zum Teil anhand der Höhe der Spitzen berechnet werden: Ein heißerer Planet hat höhere Spitzen. Andere Merkmale, wie z. B. das Vorhandensein von Dunst und Wolken, lassen sich aus der Gesamtform der verschiedenen Teile des Spektrums ableiten.
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 bemerkenswert gering.
Die blaue Linie ist das am besten angepaßte Modell, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-96 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. Der Unterschied zwischen dem hier gezeigten bestangepaßten Modell und den Daten spiegelt lediglich die zusätzliche Arbeit wider, die bei der Auswertung und Interpretation der Daten und des Planeten zu leisten ist.
Obwohl die vollständige Analyse des Spektrums mehr Zeit in Anspruch nehmen wird, lassen sich bereits einige vorläufige Schlußfolgerungen ziehen. Die beschrifteten Spitzen im Spektrum weisen auf das Vorhandensein von Wasserdampf hin. Die Höhe der Wasserspitzen, die geringer ist als aufgrund früherer Beobachtungen erwartet, ist ein Hinweis auf das Vorhandensein von Wolken, die die Wasserdampfmerkmale unterdrücken. Der allmähliche Abfall auf der linken Seite des Spektrums (kürzere Wellenlängen) ist ein Hinweis auf möglichen Dunst. Aus der Höhe der Spitzenwerte und anderen Merkmalen des Spektrums läßt sich eine Atmosphärentemperatur von etwa 725 °C berechnen.
Dies ist das detaillierteste Infrarot-Transmissionsspektrum eines Exoplaneten, das jemals aufgenommen wurde, das erste Transmissionsspektrum, das Wellenlängen von mehr als 1,6 Mikrometern mit solch hoher Auflösung und Genauigkeit umfaßt, und das erste, das den gesamten Wellenlängenbereich von 0,6 Mikrometern (sichtbares rotes Licht) bis 2,8 Mikrometern (Nahinfrarot) in einer einzigen Aufnahme abdeckt. Die Geschwindigkeit, mit der die Forscher in der Lage waren, sichere Interpretationen des Spektrums vorzunehmen, ist ein weiterer Beweis für die Qualität der Daten.
Die Beobachtung wurde mit dem NIRISS-Modus „Single-Object Slitless Spectroscopy“ (SOSS) durchgeführt, bei dem das Spektrum eines einzelnen hellen Objekts, wie des Sterns WASP-96, in einem Sichtfeld aufgenommen wird.
WASP-96 b ist ein heißer Gasriese, der einen ungefähr 1.150 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern im Sternbild Phönix umkreist. Der Planet umkreist seinen Stern extrem nahe (weniger als 1/20 des Abstands zwischen Erde und Sonne) und vollendet eine Umkreisung in weniger als 3½ Erdtagen. Die Entdeckung des Planeten, die auf bodengestützten Beobachtungen beruht, wurde 2014 bekannt gegeben. Der Stern WASP-96 ist etwas älter als die Sonne, hat aber etwa die gleiche Größe, Masse, Temperatur und Farbe.
Die Hintergrunddarstellung von WASP-96 b und seinem Stern basiert auf dem derzeitigen Wissen über den Planeten, das sowohl aus der NIRISS-Spektroskopie als auch aus früheren boden- und weltraumgestützten Beobachtungen stammt. Webb hat kein direktes Bild des Planeten oder seiner Atmosphäre aufgenommen.
NIRISS wurde von der kanadischen Weltraumbehörde (CSA) beigesteuert. Das Instrument wurde von Honeywell in Zusammenarbeit mit der Université de Montréal und dem National Research Council Canada entwickelt und gebaut.
Exoplanet WASP-96 b (NIRISS Transit Light Curve)
- Fast Facts
- Objekt
- Objektname(n): WASP-96 b
- Objektbeschreibung: Heißer Gasriese-Exoplanet
- Rektaszension: 00:04:11.18
- Deklination: -47:21:38.29
- Sternbild: Phoenix
- Entfernung: 350 Parsec (1.150 Lichtjahre)
- Abmessung: 1,2-fache des Jupiterradius (13,5-mal der Erdradius) und 0,48-fache der Jupitermasse (153-mal die Erdmasse)
- Daten
- Instrument: Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), time-series Single-Object Slitless Spectroscopy (SOSS) mode
Über das Bild: Eine Lichtkurve von Webb‘s Nahinfrarot-Imager und spaltlosem Spektrographen (NIRISS) zeigt die Veränderung der Helligkeit des Lichts vom WASP-96-Sternsystem im Laufe der Zeit, wenn der Planet vor dem Stern vorüberzieht. Ein Transit findet statt, wenn sich ein Planet zwischen dem Stern und dem Teleskop bewegt und einen Teil des Lichts des Sterns blockiert. Diese Beobachtung wurde mit dem NIRISS-Modus „Single-Object Slitless Spectroscopy“ (SOSS) durchgeführt, bei dem das Spektrum eines einzelnen hellen Objekts, wie des Sterns WASP-96, in einem Gesichtsfeld erfaßt wird.
Um diese Daten zu erfassen, blickte Webb 6 Stunden und 23 Minuten lang auf das WASP-96-Sternensystem, beginnend etwa 2½ Stunden vor dem Transit und endend etwa 1½ Stunden nach Abschluß des Transits. Der Transit selbst dauerte etwas weniger als 2½ Stunden. Die Kurve enthält insgesamt 280 einzelne Helligkeitsmessungen – eine alle 1,4 Minuten.
Da die Beobachtung mit einem Spektrographen gemacht wurde, der das Licht in Hunderte von einzelnen Wellenlängen aufteilt, stellt jeder der 280 Punkte auf dem Diagramm die kombinierte Helligkeit von Tausenden von Wellenlängen des Infrarotlichts dar.
Die tatsächliche Abschwächung durch den Planeten ist extrem gering: Der Unterschied zwischen dem hellsten und dem lichtschwächsten Punkt beträgt weniger als 1,5 Prozent. NIRISS ist für diese Beobachtung ideal geeignet, da es in der Lage ist, relativ helle Ziele über einen längeren Zeitraum zu beobachten, und gleichzeitig über die nötige Empfindlichkeit verfügt, um solch geringe Helligkeitsunterschiede zu messen: Bei dieser Beobachtung war das Instrument in der Lage, Helligkeitsunterschiede von nur 0,02 Prozent zu messen.
Obwohl das Vorhandensein des Planeten, seine Größe, Masse und Umlaufbahn bereits auf Grundlage früherer Transitbeobachtungen bestimmt worden waren, kann diese Transitlichtkurve zur Bestätigung und Verfeinerung bestehender Messungen, wie z. B. des Planetendurchmessers, des Zeitpunkts des Transits und der Bahneigenschaften des Planeten, verwendet werden.
WASP-96 b ist ein heißer Gasriese, der einen etwa 1.150 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern im Sternbild Phönix umkreist. Der Planet umkreist seinen Stern extrem nahe (weniger als ein Zwanzigstel des Abstands zwischen Erde und Sonne) und vollendet eine Umkreisung in weniger als 3½ Erdtagen. Die Entdeckung des Planeten durch bodengestützte Beobachtungen wurde im Jahr 2014 bekannt gegeben.
Die Hintergrunddarstellung von WASP-96 b und seinem sonnenähnlichen Stern basiert auf dem derzeitigen Wissen über den Planeten, das sowohl aus der NIRISS-Spektroskopie als auch aus früheren boden- und weltraumgestützten Beobachtungen stammt. Webb hat kein direktes Bild des Planeten oder seiner Atmosphäre aufgenommen.
NIRISS wurde von der kanadischen Weltraumbehörde (CSA) beigesteuert. Das Instrument wurde von Honeywell in Zusammenarbeit mit der Université de Montréal und dem National Research Council Canada entwickelt und gebaut.
