Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat die deutliche Signatur von Wasser zusammen mit Beweisen für Wolken und Dunst in der Atmosphäre eingefangen, die einen heißen, aufgeblähten Gasriesenplaneten umkreist, der einen fernen sonnenähnlichen Stern umkreist.
Die Beobachtung, die das Vorhandensein spezifischer Gasmoleküle basierend auf winzigen Helligkeitsabnahmen präziser Lichtfarben offenbart, ist die bisher detaillierteste ihrer Art und demonstriert Webbs beispiellose Fähigkeit, Atmosphären Hunderte von Lichtjahren entfernt zu analysieren.
Während das Hubble-Weltraumteleskop in den letzten zwei Jahrzehnten zahlreiche Exoplaneten-Atmosphären analysiert hat und 2013 zum ersten Mal eindeutig Wasser entdeckte, markiert Webbs sofortige und detailliertere Beobachtung einen großen Schritt nach vorne bei der Suche nach der Charakterisierung potenziell bewohnbarer Planeten jenseits der Erde.
WASP-96 b ist einer von mehr als 5.000 bestätigten Exoplaneten in der Milchstraße. Er befindet sich etwa 1.150 Lichtjahre entfernt im Sternbild Phönix am Südhimmel und stellt eine Art Gasriese dar, der in unserem Sonnensystem kein direktes Analogon hat. Mit einer Masse von weniger als der Hälfte des Jupiters und einem 1,2-mal größeren Durchmesser ist WASP-96 b viel aufgedunsener als jeder Planet, der unsere Sonne umkreist. Und mit einer Temperatur von mehr als 1000 ° F ist es deutlich heißer. WASP-96 b umkreist seinen sonnenähnlichen Stern extrem nah, nur ein Neuntel der Entfernung zwischen Merkur und Sonne, und vollzieht alle 3½ Erdentage einen Umlauf.
Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Die Kombination aus großer Größe, kurzer Umlaufzeit, aufgeblähter Atmosphäre und dem Fehlen von kontaminierendem Licht von Objekten in der Nähe am Himmel macht WASP-96 b zu einem idealen Ziel für atmosphärische Beobachtungen.
Am 21. Juni maß Webbs Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) 6,4 Stunden lang das Licht des WASP-96-Systems, während sich der Planet über den Stern bewegte. Das Ergebnis ist eine Lichtkurve, die die allgemeine Verdunkelung des Sternenlichts während des Durchgangs zeigt, und ein Transmissionsspektrum, das die Helligkeitsänderung einzelner Wellenlängen des Infrarotlichts zwischen 0,6 und 2,8 Mikrometern zeigt.
Während die Lichtkurve bereits aus anderen Beobachtungen ermittelte Eigenschaften des Planeten – Existenz, Größe und Umlaufbahn des Planeten – bestätigt, enthüllt das Transmissionsspektrum bisher verborgene Details der Atmosphäre: die eindeutige Signatur von Wasser, Hinweise auf Dunst, und Hinweise auf Wolken, von denen angenommen wurde, dass sie aufgrund früherer Beobachtungen nicht existieren.
Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, während es sich über den Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht verglichen wird, das erfasst wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Forscher sind in der Lage, die Häufigkeit wichtiger Gase in der Atmosphäre eines Planeten anhand des Absorptionsmusters zu erkennen und zu messen – die Positionen und Höhen der Spitzen in der Grafik. So wie Menschen unverwechselbare Fingerabdrücke und DNA-Sequenzen haben, haben Atome und Moleküle charakteristische Muster von Wellenlängen, die sie absorbieren.
Das von NIRISS aufgenommene Spektrum von WASP-96 b ist nicht nur das detaillierteste Nahinfrarot-Transmissionsspektrum einer Exoplanetenatmosphäre, das bisher aufgenommen wurde, sondern deckt auch einen bemerkenswert breiten Wellenlängenbereich ab, einschließlich sichtbarem Rotlicht und einem Teil des Spektrums die bisher von anderen Teleskopen nicht zugänglich war (Wellenlängen größer als 1,6 Mikrometer). Dieser Teil des Spektrums ist besonders empfindlich gegenüber Wasser sowie anderen Schlüsselmolekülen wie Sauerstoff, Methan und Kohlendioxid, die im Spektrum von WASP-96 b nicht sofort offensichtlich sind, aber in anderen Exoplaneten, die von Webb zur Beobachtung geplant sind, nachweisbar sein sollten .
Forscher können das Spektrum verwenden, um die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre zu messen, die Häufigkeit verschiedener Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff einzuschränken und die Temperatur der Atmosphäre mit der Tiefe abzuschätzen. Sie können diese Informationen dann verwenden, um Rückschlüsse auf die Gesamtzusammensetzung des Planeten zu ziehen sowie wie, wann und wo er entstanden ist. Die blaue Linie in der Grafik ist ein Best-Fit-Modell, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-96 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) und angenommene Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.
Die außergewöhnliche Detailgenauigkeit und Klarheit dieser Messungen ist durch das hochmoderne Design von Webb möglich. Sein 270 Quadratmeter großer goldbeschichteter Spiegel sammelt Infrarotlicht effizient. Seine Präzisionsspektrografen verteilen Licht in Regenbogenfarben aus Tausenden von Infrarotfarben. Und seine empfindlichen Infrarotdetektoren messen feinste Helligkeitsunterschiede. NIRISS ist in der Lage, Farbunterschiede von nur etwa einem Tausendstel Mikrometer (der Unterschied zwischen Grün und Gelb beträgt etwa 50 Mikrometer) und Helligkeitsunterschiede zwischen diesen Farben von einigen hundert Teilen pro Million zu erkennen.
Darüber hinaus sorgt die extreme Stabilität von Webb und seine Orbitalposition um Lagrange Point 2, etwa eine Million Meilen entfernt von den kontaminierenden Auswirkungen der Erdatmosphäre, für eine ununterbrochene Sicht und saubere Daten, die relativ schnell analysiert werden können.
Das außergewöhnlich detaillierte Spektrum, das durch die gleichzeitige Analyse von 280 einzelnen Spektren erstellt wurde, die während der Beobachtung erfasst wurden, gibt nur einen Hinweis darauf, was Webb für die Exoplanetenforschung auf Lager hat. Im kommenden Jahr werden Forscher die Oberflächen und Atmosphären von mehreren Dutzend Exoplaneten, von kleinen Gesteinsplaneten bis hin zu gas- und eisreichen Riesen, spektroskopisch analysieren. Fast ein Viertel der Beobachtungszeit von Webbs Zyklus 1 wird der Untersuchung von Exoplaneten und den Materialien, aus denen sie bestehen, gewidmet.
Diese NIRISS-Beobachtung zeigt, dass Webb die Fähigkeit hat, die Atmosphären von Exoplaneten – einschließlich der potenziell bewohnbaren Planeten – bis ins kleinste Detail zu charakterisieren.