Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen Teile der Gashülle des Exoplaneten mit nie dagewesener Detailtreue freigelegt: In Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ WASP -39 b strömte, schimmerten ihre Die chemische Zusammensetzung ist detailliert dargestellt. Die Informationen haben Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Geschichte der Planetenentstehung ermöglicht. Das nachgewiesene Leistungspotential von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der Exo-Atmosphäre eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Aussage: „Weitere Erkenntnisse könnte bald das geplante James-Webb-Weltraumteleskop liefern“. Jetzt befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren haben bereits für Aufregung gesorgt. Sie beschreiben die Leistungssteigerung von JWST im Vergleich zu den bisher verfügbaren Teleskopen: Es kann tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit einem neuen Detailgrad beschreiben und besser, was die Lichtspektren zerstört. Das sind die Ergebnisse des „Early Release Science Program“, das Teilprojekte umfasst, die ursprünglich die grundsätzliche Funktionsweise und das Potenzial von JWST für geplante Forschungszwecke untersuchen sollten. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

JWST bietet zusätzliche “Perspektive”

Der Planet WASP-39b ist das Ziel von Forschungsgruppen, die Teil der Transiting Exoplanet Community im Early Release Science Program sind. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl er nur etwa die Masse des Saturn hat, ist er im Durchmesser 1,3-mal größer als Jupiter. Seine extreme Größe hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Weil WASP-39 b seinen Stern so eng umkreist, dauert es nur vier Erdentage. Astronomen wählten ihn für den JWST-Test, weil sich seine gebrochene Atmosphäre besonders gut für das Verfahren der Transitspektroskopie eignet. Einblicke in die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Gashülle sind durch die “regenbogenartigen Zerfälle” des Lichts möglich, die durch die Gashüllen scheinen, wenn entfernte Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier separate Transite von WASP-39b zu beobachten. Im August gaben Wissenschaftler den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Publikationen aufgeteilt sind. Darin berichten sie über die Untersuchungen der spektrographischen Instrumente NIRCam und NIRSpec sowie NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, über den Kollaps der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b und die Bedeutung der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Erklärung einer bisher rätselhaften Anomalie im Spektrum des funkelnden Lichts. Dies entpuppt sich als Signatur von Schwefeldioxid, das nun erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden wurde. Das Besondere daran ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der ähnlich wie Ozon in der Erdatmosphäre durch photochemische Prozesse entsteht. Wie die Forscher erklärten, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn der äußere Teil der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagiert. Die Photonen bilden aus vielen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Unter Zugabe von Schwefelwasserstoff (H2S) kommt es dann zu chemischen Reaktionen, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Dies ist das erste obskure photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden wurde, schrieben die Wissenschaftler.

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Einige der neuen Informationen zeigen sogar Aspekte der Planetenentstehung: Die Kombination von Informationen über bestimmte Stoffverhältnisse in der Atmosphäre von WASP-39b mit Modellen der Planetenentstehung und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen Rückschlüsse zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff zeige, dass die Kollision kleinerer Planeten zuerst zur Entstehung des Himmelskörpers geführt habe, erklärten die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass Sauerstoff in der Atmosphäre häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet ihrer Meinung nach auch darauf hin, dass sich WASP-39b ursprünglich weiter von seinem Stern entfernt gebildet hat und später in seine nahe gelegene Umlaufbahn gewandert ist.

Aufgeregt, die Zukunft zu sehen

Vor allem aber sahen die Wissenschaftler die bahnbrechende Bedeutung ihrer Ergebnisse: Sie stellten ihre Erfahrungen mit JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und boten „Rezepte“ für den Umgang mit Datensätzen an. Dies soll den Einsatz des Teleskops für weitere Transitbeobachtungen dieser Art erleichtern. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordiniert. Seine Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg weiter: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorbote für alle weiteren Ergebnisse, die am JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit getestet. Die Beobachtungen stehen kurz bevor.“ makellos – besser als wir erwartet hatten“, sagte der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien auch ein Schritt auf dem Weg zu einem der größten Ziele der Exo-Atmosphärenforschung, sagen die Forscher: Bestimmte Signaturen von Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuellen Untersuchungen sind wie eine Art Test für Beobachtungsmethoden, die in Zukunft bei dieser Art der Suche eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um bei der Suche nach Leben zwischen Teilen der Atmosphäre von Exoplaneten mit und ohne das Vorhandensein von lebenden Organismen zu unterscheiden, sagten Astronomen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Ergebnisse wurden am 22. November 2022 in der Zeitschrift Nature als fünfteilige Artikelserie veröffentlicht.

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