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

Das James Webb Space Telescope (JWST) hat gerade eine weitere Premiere erzielt: ein detailliertes molekulares und chemisches Porträt des Himmels einer fernen Welt.

Die Anordnung hochempfindlicher Instrumente des Teleskops wurde auf die Atmosphäre eines „heißen Saturn“ gerichtet – eines Planeten, der etwa so massereich wie der Saturn ist und einen etwa 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist – bekannt als WASP-39 b. Während JWST und andere Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Spitzer, zuvor isolierte Bestandteile der Atmosphäre dieses brodelnden Planeten enthüllt haben, bieten die neuen Messwerte ein vollständiges Menü von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken.

„Die Klarheit der Signale von einer Reihe verschiedener Moleküle in den Daten ist bemerkenswert“, sagt Mercedes López-Morales, Astronomin am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian und einer der Wissenschaftler, die zu den neuen Ergebnissen beigetragen haben.

„Wir hatten vorhergesagt, dass wir viele dieser Signale sehen würden, aber als ich die Daten zum ersten Mal sah, war ich beeindruckt“, fügt López-Morales hinzu.

Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Wolken auf Exoplaneten aus der Nähe aussehen könnten: eher gebrochen als eine einzige, einheitliche Decke über dem Planeten.

Die Ergebnisse verheißen Gutes für die Fähigkeit des JWST, das breite Spektrum an Untersuchungen auf Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen, auf die Wissenschaftler gehofft hatten. Dazu gehört auch die Untersuchung der Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

„Wir haben den Exoplaneten mit mehreren Instrumenten beobachtet, die zusammen einen breiten Streifen des Infrarotspektrums und eine Palette chemischer Fingerabdrücke liefern, die bis zum JWST unzugänglich waren“, sagte Natalie Batalha, Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die zur Koordination beigetragen und geholfen hat die neue Forschung. „Daten wie diese sind ein Game Changer.“

Die Reihe der Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neu eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, die auf der Preprint-Website arXiv verfügbar sind. Zu den beispiellosen Enthüllungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten, einem Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht des Muttersterns des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde entsteht auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre.

„Der überraschende Nachweis von Schwefeldioxid bestätigt endlich, dass Photochemie das Klima von ‚heißen Saturns‘ formt“, sagt Diana Powell, NASA Hubble Fellow, Astronomin am Center for Astrophysics und Kernmitglied des Teams, das die Entdeckung von Schwefeldioxid gemacht hat. „Auch das Klima der Erde wird von der Photochemie geprägt, daher hat unser Planet mehr mit ‚heißen Saturns‘ gemeinsam, als wir bisher wussten.“

Jea Adams, Doktorandin in Harvard und Forscherin am Center for Astrophysics, analysierte die Daten, die das Schwefeldioxidsignal bestätigten.

„Als Nachwuchsforscher auf dem Gebiet der Atmosphären von Exoplaneten ist es so aufregend, Teil einer Entdeckung wie dieser zu sein“, sagt Adams. „Der Prozess der Analyse dieser Daten fühlte sich magisch an. Wir haben Hinweise auf dieses Merkmal in frühen Daten gesehen, aber dieses Instrument mit höherer Präzision zeigte die Signatur von SO2 deutlich und half uns, das Rätsel zu lösen.“

Bei einer geschätzten Temperatur von 1.600 Grad Fahrenheit und einer Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, wird angenommen, dass WASP-39 b nicht bewohnbar ist. Der Exoplanet wurde sowohl mit Saturn als auch mit Jupiter verglichen, mit einer ähnlichen Masse wie Saturn, aber einer Gesamtgröße so groß wie Jupiter. Aber die neue Arbeit weist den Weg, Beweise für potenzielles Leben auf einem bewohnbaren Planeten zu finden.

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur an unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Muttersternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte ein tieferes Verständnis dafür bringen, wie diese Prozesse die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten erzeugen.

Andere atmosphärische Bestandteile, die von JWST entdeckt wurden, umfassen Natrium, Kalium und Wasserdampf, was frühere weltraum- und bodengestützte Teleskopbeobachtungen bestätigt und zusätzliche Wassermerkmale bei längeren Wellenlängen entdeckt, die zuvor noch nicht gesehen wurden.

JWST sah auch Kohlendioxid mit höherer Auflösung und lieferte doppelt so viele Daten wie aus früheren Beobachtungen. Währenddessen wurde Kohlenmonoxid festgestellt, aber offensichtliche Signaturen von Methan und Schwefelwasserstoff fehlten in den Daten. Falls vorhanden, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor, ein bedeutender Befund für Wissenschaftler, die Inventare der Exoplanetenchemie erstellen, um die Entstehung und Entwicklung dieser fernen Welten besser zu verstehen.

Die Erfassung eines so breiten Spektrums der Atmosphäre von WASP-39 b war eine wissenschaftliche Tour de Force, da ein internationales Team mit Hunderten von Daten unabhängig voneinander Daten von vier der fein kalibrierten Instrumentenmodi von JWST analysierte. Anschließend führten sie detaillierte Vergleiche ihrer Ergebnisse durch, die zu noch wissenschaftlich nuancierteren Ergebnissen führten.

JWST betrachtet das Universum im Infrarotlicht, am roten Ende des Lichtspektrums jenseits dessen, was das menschliche Auge sehen kann; Dadurch kann das Teleskop chemische Fingerabdrücke aufnehmen, die im sichtbaren Licht nicht erkannt werden können.

Jedes der drei Instrumente hat sogar eine Version des „IR“ von Infrarot in seinem Namen: NIRSpec, NIRCam und NIRISS.

Um Licht von WASP-39 b zu sehen, verfolgte JWST den Planeten, als er vor seinem Stern vorbeizog, und ließ einen Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten filtern. Verschiedene Arten von Chemikalien in der Atmosphäre absorbieren verschiedene Farben des Sternenlichtspektrums, sodass die fehlenden Farben den Astronomen sagen, welche Moleküle vorhanden sind.

Durch die so präzise Analyse einer Exoplanetenatmosphäre haben die JWST-Instrumente die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der breiten Vielfalt von Exoplaneten in der Galaxie.

López-Morales sagt: „Ich freue mich darauf, zu sehen, was wir in der Atmosphäre kleiner, terrestrischer Planeten finden.“