Roadmap beschreibt, wie die Exoplaneten-Erkundung mit dem James-Webb-Weltraumteleskop verbessert werden kann

Der Start des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA im Jahr 2021 läutete eine spannende neue Ära in der Exoplanetenforschung ein, insbesondere für Wissenschaftler, die terrestrische Planeten untersuchen, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen. Doch drei Jahre nach Beginn der Mission des Teleskops sind einige Wissenschaftler auf Herausforderungen gestoßen, die den Fortschritt verlangsamt haben.

In einem kürzlich erschienenen veröffentlicht In NaturastronomieDie TRAPPIST-1 JWST Community Initiative legt einen schrittweisen Plan vor, um die Herausforderungen zu überwinden, denen sie bei der Untersuchung des TRAPPIST-1-Systems gegenüberstand, indem sie die Effizienz der Datenerfassung verbessert, um der gesamten Astronomiegemeinschaft zu nützen.

„Eine ganze Expertengemeinschaft hat sich zusammengeschlossen, um diese komplexen, fachübergreifenden Herausforderungen anzugehen und die erste mehrjährige Beobachtungsstrategie zu entwickeln, die dem JWST eine echte Chance gibt, während seiner Lebensdauer bewohnbare Welten zu identifizieren“, sagt Julien de Wit, außerordentlicher Professor am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT und einer der Hauptautoren der Abhandlung.

Zwei-für-eins-Angebot

Das 41 Lichtjahre von der Erde entfernte TRAPPIST-1-System mit seinen sieben Planeten bietet eine einzigartige Gelegenheit, ein großes System mit mehreren Planeten unterschiedlicher Zusammensetzung zu untersuchen, ähnlich unserem eigenen Sonnensystem.

„Es ist ein Traumziel: Man hat nicht nur einen, sondern vielleicht drei Planeten in der bewohnbaren Zone, sodass man tatsächlich eine Möglichkeit hat, im selben System zu vergleichen“, sagt René Doyon von der Université de Montréal, der die Studie gemeinsam mit de Wit leitete. „Es gibt nur eine Handvoll gut charakterisierter gemäßigter Gesteinsplaneten, bei denen wir hoffen können, ihre Atmosphäre zu entdecken, und die meisten davon befinden sich innerhalb des TRAPPIST-1-Systems.“

Astronomen wie de Wit und Doyon untersuchen die Atmosphären von Exoplaneten mithilfe einer Technik namens Transmissionsspektroskopie. Dabei untersuchen sie, wie das Sternenlicht durch die potenzielle Atmosphäre eines Planeten dringt, um zu sehen, welche Elemente vorhanden sind. Transmissionsspektren werden aufgenommen, wenn der Planet vor seinem Mutterstern vorbeizieht.

Die Planeten im TRAPPIST-System haben kurze Umlaufzeiten. Daher überschneiden sich ihre Transite häufig. Die Transitbeobachtungszeiten werden normalerweise in Fünf-Stunden-Fenstern eingeteilt, und bei richtiger Planung können in fast der Hälfte dieser Zeitfenster mindestens zwei Transite erfasst werden. Dieses „Zwei-für-eins“-Angebot spart Zeit und Geld und verdoppelt die Datenerfassung.

Stellare Kontamination

Sterne sind nicht einheitlich; die Temperatur ihrer Oberflächen kann variieren, wodurch Stellen entstehen, die heißer oder kühler sein können. Moleküle wie Wasserdampf können an kühlen Stellen kondensieren und die Transmissionsspektren beeinträchtigen. Sterninformationen wie diese können schwierig vom Planetensignal zu trennen sein und falsche Hinweise auf die atmosphärische Zusammensetzung eines Planeten liefern, was zu einer sogenannten „Sternkontamination“ führt. Obwohl sie oft ignoriert wurde, haben die verbesserten Fähigkeiten des JWST die Herausforderungen aufgezeigt, die Sternkontamination bei der Untersuchung von Planetenatmosphären mit sich bringt.

Der EAPS-Forscher Ben Rackham stieß auf diese Herausforderungen, als sie seine anfängliche Doktorarbeit über kleine Exoplaneten mit den Magellan-Teleskopen in Chile durchkreuzten. Jetzt sieht er dasselbe Problem, das er zum ersten Mal als Doktorand hatte, bei den neuen JWST-Daten wieder.

„Wie wir es aufgrund früherer Arbeiten mit Daten erdgebundener Teleskope vorhergesagt haben, ergeben die allerersten Spektralsignaturen, die wir mit dem JWST erhalten, im Hinblick auf eine planetarische Interpretation keinen Sinn“, sagt er. „Die Merkmale sind nicht das, was wir erwarten würden, und sie ändern sich von Transit zu Transit.“

Rackham und David Berardo, ein Postdoc in EAPS, haben mit de Wit an Möglichkeiten gearbeitet, die stellare Kontamination mit zwei verschiedenen Methoden zu korrigieren: Verbesserung der Modelle der Sternspektren und Verwendung direkte Beobachtungen zur Ableitung von Korrekturen.

„Indem wir einen Stern bei seiner Rotation beobachten, können wir die Empfindlichkeit des JWST nutzen, um ein klareres Bild seiner Oberfläche zu erhalten. Das ermöglicht uns eine genauere Messung der Atmosphäre der Planeten, die ihn passieren“, sagt Berardo. Zusammen mit der Untersuchung aufeinanderfolgender Transite, wie in der Roadmap vorgeschlagen, werden so nützliche Daten über den Stern gesammelt, die dazu verwendet werden können, stellare Kontaminationen sowohl aus zukünftigen als auch aus vergangenen Studien herauszufiltern.

Über TRAPPIST-1 hinaus

Der aktuelle Fahrplan entstand aus den Bemühungen der TRAPPIST JWST Community Initiative, separate, auf einzelne Planeten fokussierte Programme zusammenzuführen, was sie daran hinderte, die optimalen Zeitfenster für die Transitbeobachtung zu nutzen.

„Wir haben schon früh begriffen, dass wir für dieses Vorhaben ‚ein ganzes Dorf brauchen‘, um die Effizienzfallen kleiner Beobachtungsprogramme zu vermeiden“, sagt de Wit. „Jetzt hoffen wir, dass eine groß angelegte Gemeinschaftsinitiative, die sich an der Roadmap orientiert, in Gang gesetzt werden kann, um rechtzeitig Ergebnisse zu erzielen.“

De Wit hofft, dass dies innerhalb eines Jahrzehnts zur Identifizierung bewohnbarer oder bewohnbarer Welten um TRAPPIST-1 führen könnte.

Sowohl de Wit als auch Doyon sind überzeugt, dass das TRAPPIST-1-System der beste Ort ist, um Grundlagenforschung zu Exoplanetenatmosphären zu betreiben, die sich auch auf Studien in anderen Systemen ausdehnen wird. Doyon glaubt, dass „das TRAPPIST-1-System nicht nur für TRAPPIST-1 selbst nützlich sein wird, sondern auch, um zu lernen, wie man eine sehr präzise Korrektur der Sternaktivität vornimmt, was für viele andere Transmissionsspektroskopieprogramme von Nutzen sein wird, die ebenfalls von der Sternaktivität beeinflusst werden.“

„Wir haben grundlegende und transformierende Antworten in Reichweite und einen klaren Fahrplan dafür“, sagt de Wit. „Wir müssen ihm nur gewissenhaft folgen.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.