Seit 1995 der erste Planet entdeckt wurde, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist, haben wir erkannt, dass Planeten und Planetensysteme vielfältiger sind, als wir uns jemals vorgestellt haben. Solche fernen Welten – Exoplaneten – geben uns die Möglichkeit zu untersuchen, wie sich Planeten in verschiedenen Situationen verhalten. Und etwas über ihre Atmosphären zu erfahren, ist ein entscheidendes Teil des Puzzles.
NASAs James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) ist das größte Teleskop im Weltraum. Es wurde am Weihnachtstag 2021 eingeführt und ist das perfekte Werkzeug, um diese Welten zu untersuchen. Jetzt haben meine Kollegen und ich das Teleskop zum ersten Mal benutzt, um die chemische Zusammensetzung eines Exoplaneten zu enthüllen. Und die Daten, veröffentlicht im Vordruck bilden (d.h. es muss noch in einem Peer-Review-Journal veröffentlicht werden), weist auf einige überraschende Ergebnisse hin.
Viele Exoplaneten sind ihren Muttersternen zu nahe, als dass selbst dieses leistungsstarke Teleskop sie unterscheiden könnte. Aber wir können den Trick anwenden, indem wir beobachten, wie der Planet vor seinem Stern vorbeizieht (durchläuft). Während des Transits blockiert der Planet einen kleinen Teil des Sternenlichts, und ein noch kleinerer Teil des Sternenlichts wird durch die äußeren Schichten der Atmosphäre des Planeten gefiltert.
Gase in der Atmosphäre absorbieren einen Teil des Lichts und hinterlassen Fingerabdrücke auf dem Sternenlicht in Form einer Verringerung der Helligkeit bei bestimmten Farben oder Wellenlängen. Das JWST eignet sich besonders für Studien zur Atmosphäre von Exoplaneten, da es sich um ein Infrarotteleskop handelt. Die meisten Gase, die sich in einer Atmosphäre befinden – wie Wasserdampf und Kohlendioxid – absorbieren eher Infrarotlicht als sichtbares Licht.
Ich bin Teil eines internationalen Teams von Exoplaneten-Wissenschaftlern, die mit JSTW einen etwa jupitergroßen Planeten namens WASP-39b. Im Gegensatz zu Jupiter braucht diese Welt jedoch nur wenige Tage, um ihren Stern zu umrunden, also wird sie gekocht und erreicht dabei Temperaturen von über 827 °C. Dies gibt uns die perfekte Gelegenheit zu untersuchen, wie sich eine Planetenatmosphäre unter extremen Temperaturbedingungen verhält.
Wir haben JWST verwendet, um das bisher vollständigste Spektrum dieses faszinierenden Planeten wiederherzustellen. Tatsächlich stellt unsere Arbeit die erste chemische Bestandsaufnahme der Atmosphäre des Planeten dar.
Wir wussten bereits, dass der größte Teil der Atmosphäre dieses großen Planeten aus einer Mischung aus Wasserstoff und Helium bestehen musste – den leichtesten und am häufigsten vorkommenden Gasen im Universum. Und das Hubble-Teleskop hat dort bereits Wasserdampf, Natrium und Kalium nachgewiesen.
Jetzt konnten wir unseren Nachweis bestätigen und eine Messung der Wasserdampfmenge durchführen. Die Daten deuten auch darauf hin, dass es auch andere Gase gibt Kohlendioxid, Kohlenmonoxidund unerwartet, Schwefeldioxid.
Messungen darüber, wie viel von jedem dieser Gase in der Atmosphäre vorhanden ist, bedeutet, dass wir die relativen Mengen der Elemente abschätzen können, aus denen die Gase bestehen – Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel. Planeten entstehen in einer Scheibe aus Staub und Gas um einen jungen Stern, und wir erwarten, dass einem Babyplaneten in unterschiedlichen Entfernungen vom Stern unterschiedliche Mengen dieser Elemente zur Verfügung stehen.
WASP-39b scheint relativ wenig Kohlenstoff im Verhältnis zu Sauerstoff zu haben, was darauf hindeutet, dass es sich wahrscheinlich in größerer Entfernung vom Stern gebildet hat, wo es im Vergleich zu seiner sehr nahen Strömung leicht Wassereis von der Scheibe hätte absorbieren können (was seinen Sauerstoff erhöht). Orbit. Wenn dieser Planet migriert ist, könnte uns das helfen, unsere Theorien über die Planetenentstehung zu entwickeln, und würde die Idee unterstützen, dass die Riesenplaneten in unserem Sonnensystem auch schon früh ziemlich viel bewegt und geschüttelt haben.
Ein schwefelhaltiger Schlüssel
Die Menge an Schwefel, die wir im Verhältnis zu Sauerstoff entdeckt haben, ist für WASP-39b ziemlich hoch. Wir würden erwarten, dass Schwefel in einem jungen Planetensystem stärker in Gesteinsbrocken und Trümmern konzentriert ist als als atmosphärisches Gas. Dies weist also darauf hin, dass WASP-39b eine ungewöhnliche Anzahl von Kollisionen mit schwefelhaltigen Gesteinsbrocken erlitten haben könnte. Ein Teil dieses Schwefels würde als Gas freigesetzt.
In der Atmosphäre eines Planeten reagieren verschiedene Chemikalien unterschiedlich schnell miteinander, je nachdem, wie heiß es ist. Normalerweise stellen sich diese in einen Gleichgewichtszustand ein, wobei die Gesamtmengen jedes Gases stabil bleiben, wenn sich die Reaktionen gegenseitig ausgleichen. Es gelang uns, für eine Reihe von Ausgangspunkten vorherzusagen, welche Gase wir in der Atmosphäre von WASP-39b sehen würden. Aber keiner von ihnen kam auf Schwefeldioxid und erwartete stattdessen, dass Schwefel in einem anderen Gas, Schwefelwasserstoff, eingeschlossen sein würde.
Das fehlende Teil des chemischen Puzzles war ein Prozess namens Photochemie. Dies ist der Fall, wenn die Geschwindigkeit bestimmter chemischer Reaktionen von der Energie von Photonen – Lichtpaketen – angetrieben wird, die vom Stern kommen, und nicht von der Temperatur der Atmosphäre. Da WASP-39b so heiß ist und sich Reaktionen bei höheren Temperaturen im Allgemeinen beschleunigen, haben wir nicht erwartet, dass die Photochemie so wichtig ist, wie es sich herausgestellt hat.
Die Daten deuten darauf hin, dass Wasserdampf in der Atmosphäre durch Licht in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Diese Produkte würden dann mit dem Gas Schwefelwasserstoff reagieren, wobei schließlich der Wasserstoff entfernt und durch Sauerstoff ersetzt würde, um Schwefeldioxid zu bilden.
Was kommt als nächstes für JWST?
Photochemie ist sogar noch wichtiger auf kühleren Planeten, die möglicherweise bewohnbar sind – die Ozonschicht auf unserem eigenen Planeten wird durch einen photochemischen Prozess gebildet. JWST wird im ersten Betriebsjahr die felsigen Welten im System Trappist-1 beobachten. Einige dieser Messungen wurden bereits durchgeführt – und alle diese Planeten haben Temperaturen, die denen der Erde ähnlicher sind.
Einige haben möglicherweise sogar die richtige Temperatur, um flüssiges Wasser auf der Oberfläche und möglicherweise Leben zu haben. Ein gutes Verständnis darüber, wie die Photochemie die atmosphärische Zusammensetzung beeinflusst, wird für die Interpretation der Beobachtungen des Webb-Teleskops des Trappist-1-Systems entscheidend sein. Dies ist besonders wichtig, da ein offensichtliches chemisches Ungleichgewicht in einer Atmosphäre auf das Vorhandensein von Leben hindeuten könnte, sodass wir uns anderer möglicher Erklärungen dafür bewusst sein müssen.
Das Chemikalieninventar von WASP-39b hat uns gezeigt, wie mächtig JWST ein Werkzeug ist. Wir stehen am Beginn einer sehr aufregenden Ära in der Exoplanetenforschung, also bleiben Sie dran.
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