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James-Webb-Teleskop

CO2 in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen

WASP-39 b
So könnte der Exoplanet WASP-39 b aussehen. © NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Die Atmosphäre fremder Planeten liefert wertvolle Informationen über ihre Chemie, Geschichte und nicht zuletzt ihre Lebenswelt. Jetzt ist Astronomen mithilfe des neuen James-Webb-Weltraumteleskops ein wichtiger Erfolg gelungen: Erstmals haben sie Kohlendioxid in der Atmosphäre eines extrasolaren Planeten nachgewiesen. Der hochauflösende Nahinfrarot-Spektrograf (NIRSpec) detektierte die Spektrallinien des CO2 in der Gashülle des 700 Lichtjahre entfernten Gasriesen WASP-39 b. Dieser heiße Gasplanet umkreist seinen Mutterstern sehr eng und besitzt eine aufgeblähte Atmosphäre, die im Lichtspektrum des Sterns deutliche Absorptionslinien hinterließ. Der erste Nachweis des CO2 demonstriert den großen Nutzen des neuen Teleskops auch für die Planetenforschung.

Das Ende Dezember 2021 ins All gestartete James-Webb-Weltraumteleskop hat erst im Frühsommer 2022 seinen wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen – und schon mit seinen ersten Aufnahmen alle Erwartungen erfüllt und sogar übertroffen. Denn seine im Nahinfrarot und mittleren Infrarot arbeitenden Kameras und Spektrografen haben bereits weiter in den frühen Kosmos hineingeblickt als jedes Teleskop vor ihm und auch nähere astronomische Objekte in ganz neuer Schärfe gezeigt. Eine weitere Aufgabe des Teleskops ist es jedoch, neue Informationen über die Atmosphären von extrasolaren Planeten zu liefern. Vor allem der Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) und der Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) des Webb-Teleskops sind speziell dafür ausgelegt. Wichtig sind die Daten zu Exoplaneten-Atmosphären deshalb, weil sie verraten können, wie ihre Gashülle und Oberfläche beschaffen ist, welche Prozesse auf den Planeten ablaufen, wie sie sich entwickelt haben und nicht zuletzt, ob auf ihnen Leben existiert.

Spektraler Blick auf heißen Gasriesen

Jetzt ist Astronomen mit dem James-Webb-Teleskop in diesem Bereich ein wichtiger Durchbruch gelungen. Das Team unter Leitung von Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz hatte für ihre Studie den rund 700 Lichtjahre entfernten Exoplaneten WASP-39 b anvisiert. Dieser hat etwa die Masse des Saturn, ist aber auf die 1,3-fache Größe des Jupiters aufgebläht. Grund dafür ist die geringe Entfernung zu seinem sonnenähnlichen Mutterstern. Er umkreist ihn in einem Abstand von etwa einem Achtel der Entfernung des Merkurs zur Sonne und benötigt für einen Umlauf nur gut vier Tage. Der Gasriese wird dadurch auf rund 900 Grad aufgeheizt. „Die Hitze bewirkt, dass sich die Atmosphäre des Planeten ausdehnt, und so ist WASP-39b ein Drittel größer als Jupiter, der größte Gasriese unseres Sonnensystems“, erklärt Co-Autorin Monika Lendl von der Universität Genf.

Der 2011 entdeckte Gasriese zieht von uns aus gesehen bei seinen Umläufen direkt vor seinem Stern vorbei. Bei diesen Transits strahlt das Licht des Sterns durch die aufgeblähte Atmosphäre des Planeten. Die in der Gashülle enthaltenen Moleküle und Elemente absorbieren dabei spezifische Anteile des Lichts und hinterlassen dadurch im Lichtspektrum charakteristische Absorptionslinien. Für WASP-39 b hatten die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer bereits Spektrallinien von Kalium, Wasserdampf und Natrium nachgewiesen. Ihre Auflösung reichte jedoch nicht aus, um auch weitere Moleküle eindeutig zu identifizieren. Dies gelang nun dem Nahinfrarot-Spektrografen des James-Webb-Teleskops.

Spektrum
Signatur des Kohlendioxids im Transmissionsspektrum von WASP-39 b. © NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI)

CO2-Signatur unzweifelhaft erkennbar

Das Transmissionsspektrum von WASP-39 b enthüllte eine Gruppe von feinen Absorptionslinien im Bereich von 4,3 Mikrometer Wellenlänge – dem Bereich, in dem die Signatur von Kohlendioxid liegt. „Als die Daten auf meinem Bildschirm erschienen, hat mich das riesige Kohlendioxid-Signal sofort begeistert“, sagt Co-Autor Zafar Rustamkulov von der Johns Hopkins University in Baltimore. „Es war ein besonderer Moment, der eine wichtige Schwelle in der Exoplanetenforschung überschreitet.“ Mit einer Standardabweichung von enormen 26 Sigma war die spektrale CO2-Signatur nicht zu übersehen und hochgradig spezifisch. Damit hat das James-Webb-Teleskop den ersten eindeutigen und detaillierten Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten erbracht. „Dieser eindeutige Nachweis von CO2 ist ein wichtiger Meilenstein für die Charakterisierung der Atmosphäre von Exoplaneten“, erklärt Co-Autorin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

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Die Ergebnisse zeigen, dass das Webb-Teleskop die in es gesetzten Erwartungen erfüllt und in der Lage ist, Schlüsselmoleküle wie CO2 auf Exoplaneten aufzuspüren. Dies liefert wertvolle Einblicke in die Zusammensetzung, Entstehung und Entwicklung von Planeten. „CO2 ist ein wichtiger Indikator für die Entstehungsgeschichte von Planeten: Es hilft uns, das komplette Kohlenstoff- und Sauerstoffinventar der Atmosphäre zu messen, das sehr empfindlich auf die Bedingungen in der Scheibe reagiert, in der der Planet entstanden ist“, erklärt Kreidberg. Mit Hilfe der CO2-Daten können Astronomen zum Beispiel den ursprünglichen Entstehungsort des Planeten, die Anteile fester und gasförmiger Planetenbausteine sowie spätere Wanderungen eines Planeten besser eingrenzen. CO2 und andere im gleichen Spektralbereich liegende Moleküle können zudem Informationen über chemische Prozesse in der Atmosphäre und auf der Oberfläche des Himmelskörpers liefern und auch verraten, ob es dort möglicherweise Leben gibt.

„Die Exoplaneten-Gemeinschaft sucht schon seit Jahrzehnten nach der Signatur von Kohlendioxid. Mit den außergewöhnlichen neuen Fähigkeiten des JWST wird es möglich sein, Kohlendioxid sowohl auf heißen Jupitern als auch auf kleineren, kühleren Planeten, die unserer Erde ähneln, routinemäßig nachzuweisen“, sagt Kreidberg.

Quelle: JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team , Nature accepted, doi: 10.48550/arXiv.2208.11692

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