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James-Webb-Teleskop

Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-39b. © NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Das modernste Auge der Astronomie stellt sein Potenzial unter Beweis: Astronomen haben mithilfe des neuen James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) die Merkmale der Gashülle eines Exoplaneten so genau aufgeschlüsselt wie nie zuvor: Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ WASP-39 b schimmert, spiegelte sich ihre chemische Zusammensetzung detailliert wider. Die Informationen ermöglichten dabei bereits Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Entstehungsgeschichte des Planeten. Das aufgezeigte Leistungspotenzial des JWST lässt nun auf weitere spannende Einsätze hoffen. Die Exo-Atmosphären-Forschung könnte eines Tages auch Hinweise auf Leben liefern, sagen die Wissenschaftler.

In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: „Mehr Einblicke könnte bald das geplante James-Webb-Weltraumteleskop ermöglichen“. Nun befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Bilder und Spektren, die Mitte Juli 2022 veröffentlicht wurden, sorgten bereits für Begeisterung. Sie verdeutlichten das erhöhte Leistungsvermögen des JWST im Vergleich zu den bis dahin verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte in ganz neuer Detailschärfe abbilden und Lichtspektren besser aufschlüsseln. Es handelte sich um Ergebnisse des „Early Release Science Programs“, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial des JWST für seine geplanten Forschungszwecke ausloten sollen. Einer der wichtigsten ist dabei die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.

Das JWST sorgt für mehr „Durchblick“

Im Visier der Forschergruppen, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program sind, steht dabei der Planet WASP-39b. Er ist von uns etwa 700 Lichtjahre entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Er besitzt zwar nur etwa die Masse des Saturn, aber einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, in nur etwas mehr als vier Erdtagen. Die Astronomen haben ihn für die Erprobung des JWST ausgesucht, da sich seine aufgeblähte Atmosphäre für das Verfahren der Transit-Spektroskopie besonders eignet. Dabei werden Einblicke in Merkmale und die Zusammensetzung der Gashülle durch die „regenbogenartige Zerlegungen“ des Lichts möglich, das durch die Gashüllen schimmert, wenn die fernen Welten vor ihrem Zentralstern vorbeiziehen.

Die Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten das JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transits von WASP-39b zu beobachten. Im August hatten die Wissenschaftler bereits den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b verkündet. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Veröffentlichungen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über die Untersuchungen mit den spektrografischen Instrumente NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, über die Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b sowie über die Bedeutung der Ergebnisse.

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Nachweis von Photochemie

Ein besonderes Highlight ist dabei die Klärung einer zunächst rätselhaften Auffälligkeit im Spektrum des Schimmer-Lichts. Es entpuppte sich als die Signatur von Schwefeldioxid, das jetzt erstmals in einer Exoplaneten-Atmosphäre nachgewiesen wurde. Das Besondere ist dabei: Es handelt sich um eine Substanz, die ähnlich wie das Ozon in der Erdatmosphäre durch photochemische Prozesse entsteht. Wie die Forscher erklären, bilden sich Schwefeldioxidmoleküle, wenn die Außenbereiche der Exoplaneten-Atmosphäre mit der hochenergetischen Strahlung des Sternes wechselwirken. Durch die Photonen bildent sich dabei aus den reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxyl-Radikale (OH). Anschließend kommt es dann unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) zu chemischen Reaktionen, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Es handelt sich dabei um das erste eindeutige photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen werden konnte, schreiben die Wissenschaftler.

In einigen der neuen Informationen spiegeln sich sogar Aspekte der Entstehung des Planeten wider: Die Kombination von Informationen über bestimmte Verhältnisse von Substanzen in der Atmosphäre von WASP-39b mit Planetenentstehungsmodellen und Wissen über unser Sonnensystem ermöglichen dabei die Rückschlüsse. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deuten demnach darauf hin, dass die Kollision kleinerer Planetenvorstufen zur Bildung des Himmelskörpers führten, erklären die Forscher. Vor allem, dass Sauerstoff in der Atmosphäre viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet ihnen zufolge außerdem darauf hin, dass WASP-39b ursprünglich viel weiter entfernt von seinem Stern entstand und erst später auf seine enge Umlaufbahn gewandert ist.

Gespannter Blick in die Zukunft

Vor allem sehen die Wissenschaftler in ihren Ergebnissen allerdings wegweisende Bedeutung: Sie stellen der astronomischen Gemeinschaft ihre Erfahrungen mit dem Einsatz des JWST zur Verfügung und bieten „Rezepte“ für den Umgang mit den Datensätzen. Das soll es erleichtern, das Teleskop für weitere Transitbeobachtungen dieser Art zu nutzen. „Die neuen Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm koordinierte. Ihre Kollegin Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg führt weiter aus: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die weiteren Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit genau getestet. Die Beobachtungen liefen nahezu fehlerfrei – noch besser als wir gehofft hatten“, so die Astronomin.

Die aktuellen Ergebnisse sind letztlich auch ein Schritt auf dem Weg zu einem der größten Ziele der Exo-Atmosphären-Forschung, sagen die Forscher: Bestimmte Signaturen in den Gashüllen könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern. Die derzeitigen Untersuchungen sind dabei wie eine Art Test für die Beobachtungstechniken, die zukünftig bei dieser Art der Suche genutzt werden können. Außerdem ist das grundlegende Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten wichtig, um bei der Suche nach Leben zwischen den atmosphärischen Merkmalen von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen unterscheiden zu können, so die Astronomen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Ergebnisse wurde am 22.11.2022 in der Zeitschrift Nature als fünfteilige Artikelserie veröffentlicht.

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