Webb enthüllt eine Exoplaneten-Atmosphäre, wie sie noch nie zuvor gesehen wurde

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA erzielte eine weitere Premiere: ein molekulares und chemisches Porträt des Himmels einer fernen Welt. Während Webb und andere Weltraumteleskope, einschließlich der NASA/ESA Hubble Weltraumteleskop, haben zuvor isolierte Bestandteile der Atmosphäre dieses erhitzten Planeten enthüllt, die neuen Messwerte liefern eine vollständige Liste von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen aktiver Chemie und Wolken. Die neuesten Daten deuten auch darauf hin, wie diese Wolken aus der Nähe aussehen könnten: zerteilt und nicht wie eine einzige, gleichmäßige Decke über dem Planeten.

Die empfindlichen Instrumente des Teleskops waren auf die Atmosphäre von WASP-39 b gerichtet, einem „heißen Saturn“ (ein Planet, der etwa so massereich wie Saturn ist, sich aber in einer engeren Umlaufbahn als Merkur befindet), der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist. Diese Saturn-Größe Exoplaneten war einer der ersten, der von der NASA/ESA/CSA untersucht wurde James Webb Weltraumteleskop als es den regulären wissenschaftlichen Betrieb aufnahm. Die Ergebnisse haben die Exoplaneten-Wissenschaftsgemeinschaft begeistert. Webbs äußerst empfindliche Instrumente haben ein Profil der atmosphärischen Bestandteile von WASP-39 b erstellt und eine Fülle von Inhalten identifiziert, darunter Wasser, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Natrium und Kalium.

Die Ergebnisse verheißen Gutes für die Fähigkeit von Webbs Instrumenten, das von der Wissenschaft erhoffte breite Spektrum an Untersuchungen von Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen. Dazu gehört die Untersuchung der Atmosphäre kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

„Wir haben den Exoplaneten mit mehreren Instrumenten beobachtet, die zusammen einen breiten Bereich des Infrarotspektrums und eine Vielzahl chemischer Fingerabdrücke abdecken, die bis JWST unzugänglich waren.“ sagte Natalie Batalha, eine Astronomin an der University of California in Santa Cruz, die zu der neuen Forschung beigetragen und sie koordiniert hat. „Daten wie diese verändern das Spiel.“

Die Reihe der Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neuen wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, von denen drei im Druck sind und zwei derzeit geprüft werden. Zu den beispiellosen Enthüllungen gehört die erste Entdeckung in einer Exoplanetenatmosphäre Schwefeldioxid, ein Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht vom Mutterstern des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde entsteht auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre.

„Dies ist das erste Mal, dass wir konkrete Beweise für Photochemie – chemische Reaktionen, die durch energiereiches Sternlicht ausgelöst werden – auf Exoplaneten sehen.“ sagte Shang-Min Tsai, Forscher an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich und Hauptautor des Artikels, der den Ursprung von Schwefeldioxid in der Atmosphäre von WASP-39 b erklärt. „Ich sehe dies als eine wirklich vielversprechende Perspektive, um unser Verständnis von zu verbessern Exoplaneten Atmosphären mit [dieser Mission].“

Dies führte zu einer weiteren Neuheit: Wissenschaftler wendeten Computermodelle der Photochemie auf Daten an, die eine vollständige Erklärung dieser Physik erfordern. Die daraus resultierenden Verbesserungen bei der Modellierung werden dazu beitragen, das erforderliche technologische Know-how aufzubauen, um potenzielle Anzeichen zukünftiger Bewohnbarkeit zu interpretieren.

„Planeten werden geformt und transformiert, indem sie im Strahlungsbad des Muttersterns kreisen.“ sagte Batalha. „Auf der Erde ermöglichen diese Transformationen das Gedeihen des Lebens.“

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur ist für uns Sun – macht es auch zu einem Labor zur Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Wirtssternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte zu einem tieferen Verständnis darüber führen, wie sich diese Prozesse auf die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten auswirken.

Zu den weiteren vom Webb-Teleskop entdeckten atmosphärischen Bestandteilen zählen Natrium (Na), Kalium (K) und Wasserdampf (H2O). Dies bestätigt frühere weltraum- und bodengestützte Teleskopbeobachtungen und findet bei diesen längeren Wellenlängen weitere Fingerabdrücke von Wasser. das hat man noch nie gesehen.

Webb sah es auch Kohlendioxid (CO2) mit höherer Auflösung und liefert doppelt so viele Daten wie bei früheren Beobachtungen. In der Zwischenzeit wurde Kohlenmonoxid (CO) nachgewiesen, aber offensichtliche Signaturen sowohl von Methan (CH4) als auch von Schwefelwasserstoff (H2S) fehlten in den Webb-Daten. Falls vorhanden, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor.

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

„Wir hatten vorhergesagt, was [das Teleskop] uns zeigen würde, aber es war präziser, vielfältiger und schöner, als ich tatsächlich geglaubt hatte.“ sagte Hannah Wakeford, eine Astrophysikerin an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich, die die Atmosphären von Exoplaneten untersucht.

Das Vorhandensein einer derart vollständigen Liste chemischer Inhaltsstoffe in der Atmosphäre eines Exoplaneten gibt Wissenschaftlern auch einen Einblick in die Fülle verschiedener Elemente im Verhältnis zueinander, beispielsweise in das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff oder Kalium zu Sauerstoff. Das 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 lässt auf eine Geschichte der Zertrümmerung und Verschmelzung kleinerer Körper, sogenannter Planetesimale, schließen, um schließlich einen Riesenplaneten zu erschaffen.

„Die Häufigkeit von Schwefel [im Vergleich zu] Wasserstoff deutete darauf hin, dass auf dem Planeten vermutlich eine erhebliche Ansammlung von Planetesimalen zu verzeichnen war, die [diese Inhaltsstoffe] in die Atmosphäre abgeben können“, sagte er Kazumasa Ohno, ein Exoplanetenforscher der UC Santa Cruz, der an Webb-Daten gearbeitet hat. „Die Daten deuten auch darauf hin, dass der Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als der Kohlenstoff. Dies deutet möglicherweise darauf hin, dass WASP-39 b ursprünglich weit entfernt vom Zentralstern entstanden ist.“

Durch die präzise Offenlegung der Details einer Exoplanetenatmosphäre haben die Instrumente des Webb-Teleskops die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der breiten Vielfalt an Exoplaneten in der Welt Galaxis.

„Wir werden in der Lage sein, das Gesamtbild der Atmosphären von Exoplaneten zu sehen“ sagte Laura Flagg, Forscherin an der Cornell University und Mitglied des internationalen Teams. „Es ist unglaublich aufregend zu wissen, dass alles neu geschrieben wird. Das ist einer der besten Aspekte eines Wissenschaftlerberufs.“

Zeitschriftenreferenzen:

1. Lili Alderson et al. Wissenschaftliche Frühveröffentlichung des Exoplaneten WASP-39b mit JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
2. Z. Rustamkulov et al. Frühzeitige Veröffentlichung des Exoplaneten WASP-39b mit JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
3. Eva-Maria Ahrer et al. Frühzeitige Veröffentlichung des Exoplaneten WASP-39b mit JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
4. Adina D. Feinstein et al. Frühe Veröffentlichungsforschung zum Exoplaneten WASP-39b mit JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
5. Shang-Min Tsai et al. Direkter Beweis der Photochemie in einer Exoplanetenatmosphäre. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490