Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomie beweist sein Potenzial: Mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) enträtseln Astronomen die Merkmale der Gashülle des Exoplaneten in nie dagewesener Detailtreue: Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiters“ fällt, schimmert WASP-39 b. ihre chemische Zusammensetzung spiegelt sich im Detail wieder. Informationen, die Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte von Planeten ermöglicht haben. Das heute demonstrierte Leistungspotential von JWST lässt auf noch spannendere 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 könnten bald durch das geplante James-Webb-Weltraumteleskop geliefert werden”. Wir befinden uns nun in dieser neuen astronomischen Ära: Die Mitte Juli 2022 veröffentlichten ersten Bilder und Spektren haben für Aufregung gesorgt. Sie stellen eine Leistungssteigerung des JWST im Vergleich zu bisher verfügbaren Teleskopen dar: Es kann tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit einer neuen Detailgenauigkeit abbilden und das Lichtspektrum besser aufbrechen. Dies ist das Ergebnis des “Initial Release Science Program”, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial von JWST für geplante Forschungszwecke erforschen sollen. Eine der wichtigsten ist die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

JWST sorgt für mehr “Perspektive”

Der Planet WASP-39b ist das Ziel der Forschungsgruppe, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program ist. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie „heißer Jupiter“. Obwohl es nur etwa die Masse von Saturn ist, ist es 1,3-mal größer als Jupiter. Sein extremes Niveau hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, in etwas mehr als vier Erdentagen. Astronomen wählten es zum Testen von JWST, weil seine aufgeblähte Atmosphäre gut für den transitspektroskopischen Prozess geeignet ist. Einblicke in die Eigenschaften und Zusammensetzung von Gashüllen können durch “regenbogenartige Zerlegungen” des Lichts gewonnen werden, das durch die Gashülle schimmert, wenn ferne Welten vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen.

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

Photochemische Beweise

Ein besonderes Highlight war die Aufklärung einer zunächst rätselhaften Anomalie im schimmernden Lichtspektrum. Es stellt sich als Signatur von Schwefeldioxid heraus, das nun erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Das Besondere daran ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der durch einen photochemischen Prozess ähnlich dem Ozon in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußersten Bereiche der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Photonen bilden aus reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxylradikale (OH). Anschließend findet eine chemische Reaktion unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führt. „Dies ist das erste obskure photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt wurde, schrieben die Wissenschaftler.

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Einige neue Informationen veranschaulichen sogar Aspekte der Planetenentstehung: Die Kombination von Informationen über bestimmte Materieanteile in den Atmosphären- und Planetenentstehungsmodellen von WASP-39b und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen Rückschlüsse zu. In einigen Fällen deutet das Verhältnis von Kohlenstoff und Sauerstoff, Kalium und Sauerstoff sowie Schwefel und Wasserstoff darauf hin, dass die Kollision kleiner planetarer Vorläufer zur Entstehung von Himmelskörpern geführt hat, erklärten die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass mehr Sauerstoff als Kohlenstoff in der Atmosphäre vorhanden sei, lege auch nahe, dass sich WASP-39b zunächst weiter entfernt von seinem Stern gebildet habe und später in eine enge Umlaufbahn gewandert sei.

Aufgeregt, die Zukunft zu sehen

Vor allem aber sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen bahnbrechende Bedeutung: Sie stellen ihre Erfahrungen mit der Nutzung von JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und bieten ein „Rezept“ für den Stand des Datensatzes. Dies sollte es einfacher machen, das Teleskop für weitere Transitbeobachtungen wie diese zu verwenden. „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 ersten Beobachtungen sind eine Vorbereitung für all die weiteren Ergebnisse, die JWST erwarten kann. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit getestet. kostenlos – sogar besser als wir erwarten”, 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 Forscher: Bestimmte Signaturen in der Gashülle könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die aktuelle Untersuchung ist eine Art Test für Beobachtungstechniken, die in Zukunft bei dieser Art von Forschung eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um die Merkmale von Atmosphären von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen bei der Suche nach Leben unterscheiden zu können, sagen 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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