Ein Hauptziel der astronomischen Forschung ist es, andere Planeten als die Erde zu finden, die für die Erhaltung von Leben geeignet sein könnten. Viele Wissenschaftler sind sich einig, dass es eine Reihe von Faktoren dafür gibt, dass ein Planet bewohnbar ist. Ein wichtiger Faktor ist jedoch, ob ein Planet eine Atmosphäre hat oder nicht.
Wissenschaftler haben andere felsige, erdähnliche Exoplaneten gefunden, aber keinen, von dem wir definitiv sagen können, dass er eine Atmosphäre hat. Die Entdeckung dieser Planeten wird Erkenntnisse darüber liefern, wie solche Atmosphären entstehen und erhalten bleiben, sodass wir besser vorhersagen können, welche Planeten bewohnbar sein könnten.
Eine Studie des University of Chicago Ph.D. Der Student Qiao
Wenn die neue Technik auf mehr Planeten angewendet wird, kann sie uns dabei helfen, mehr über Muster bei der Atmosphärenbildung zu erfahren. Das Papier ist veröffentlicht In Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
„Wenn wir uns einen ausreichend großen Datensatz ansehen, wie wir es dieses Jahr mit dem James Webb-Weltraumteleskop tun werden, hoffen wir, Trends zu finden, die uns helfen, mehr über die Atmosphärenbildung zu verstehen – und was Planeten bewohnbar macht“, sagte Xue.
Die Suche nach Atmosphären
Während Wissenschaftler versuchen, die Bedingungen auf anderen weit entfernten Planeten zu verstehen, möchten sie wissen, ob ein Planet eine Atmosphäre hat – eine Gasschicht, die den Planeten isoliert und seine Temperatur reguliert. Auf der Erde beispielsweise verteilt unsere Atmosphäre die Sonnenwärme um den Planeten herum und sorgt so dafür, dass es dort ein gemäßigtes Klima für Leben gibt.
Wissenschaftler können jedoch felsige, erdähnliche Planeten in der Nähe ihrer Sterne nicht direkt abbilden. Stattdessen müssen sie verschiedene Hinweise zusammensetzen, beispielsweise die Lichtschwankungen, während sich der Planet um seinen Mutterstern bewegt.
Oben eine Animation der NASA, die die Schwankungen der Lichtmenge zeigt, die das System emittiert, während der Exoplanet den Stern umkreist. Bildnachweis: University of Chicago
In der Studie verwendeten die Wissenschaftler eine Methode, die 2019 von einer Zusammenarbeit mit Bean und Megan Mansfield (Ph.D.’21, jetzt an der University of Arizona) vorgeschlagen wurde, um nach Atmosphären zu suchen. Der Ansatz nutzt den Temperaturunterschied zwischen einem Exoplaneten, der am heißesten gemessen wird, und der berechneten Temperatur, wie heiß er theoretisch sein könnte.
Da die Atmosphäre die Wärme über die gesamte Planetenoberfläche verteilt, verringert sie die Temperatur auf der heißesten Seite des Planeten (die dem Stern direkt zugewandt ist). Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass wir davon ausgehen können, dass die Atmosphäre eines Exoplaneten diese Funktion erfüllt, wenn die tatsächliche Temperatur eines Exoplaneten nicht so hoch ist, wie sie theoretisch sein könnte.
Das Problem bestand jedoch darin, dass es uns an Instrumenten mangelte, die präzise genug waren, um genaue Messwerte für diese Temperaturen zu liefern. Das James Webb-Weltraumteleskop hat das geändert – es bietet eine verbesserte Fähigkeit, im Infrarotbereich zu sehen, was es Wissenschaftlern ermöglicht, die Temperaturen der Planeten aufzuzeichnen, indem sie die Intensität der von ihnen emittierten Energie messen.
Wenn Exoplaneten vor ihren Sonnen kreuzen, verdecken sie einen Teil des Lichts des Sterns, was zu einer leichten Abnahme der gemessenen Helligkeit des Sterns führt. Wenn der Planet relativ zu unseren Beobachtungsgeräten fast hinter dem Stern erscheint, können wir die maximale Helligkeit des Systems einfangen – das heißt den unverdeckten Stern kombiniert mit dem vergleichsweise minimalen Licht, das vom Planeten emittiert wird.
Wenn der Planet aus unserer Sicht hinter dem Stern vorbeizieht, können wir das vom Stern selbst emittierte Licht aufzeichnen. Durch Subtrahieren dieser Lichtmessung von der Messung des Lichts des Sterns in Kombination mit dem Licht des Planeten kann auf die Helligkeit – und damit auf die Temperatur – des Planeten allein geschlossen werden.
Auf diese Weise kam Xue zu dem Schluss, dass der erste Planet, auf den sie die neue Methode anwendete, Planet GJ1132 b, keine Atmosphäre hat – die gemessene Temperatur des Planeten liegt zu nahe an der berechneten Maximaltemperatur, um auf irgendeine Temperaturregulierung schließen zu lassen Bestandteil des Planeten. „Es ist daher kein geeigneter Kandidat fürs Leben“, sagte sie.
Die neue Methode ist nicht die einzige Möglichkeit, festzustellen, ob ein Exoplanet eine Atmosphäre hat oder nicht, sie ist jedoch eine einfachere und zuverlässigere Möglichkeit, nach entfernten Planeten mit Atmosphären zu suchen. Xue erklärte, dass es weniger anfällig für falsch-negative und -positive Ergebnisse sei als die andere Technik.
„Diese andere Technik, die die Lichtfilterung durch die Atmosphäre des Planeten misst, ist anspruchsvoller, da sie durch Aktivität auf dem Stern und das Vorhandensein von Wolken verfälscht werden kann“, sagte Bean.
Wenn Wissenschaftler verstehen können, wodurch Atmosphären auf Planeten entstehen, wird es einfacher sein, unbewohnbare Planeten bei der Suche nach Exoplaneten, die Leben ermöglichen, auszuschließen.
„Diese Studie war aufregend, weil ich endlich die Chance bekam, mit Gesteinsplaneten zu arbeiten, die das Traumthema jedes Exoplaneten-Wissenschaftlers sind, weil sie so viel Potenzial für Leben haben“, sagte Xue. „Jetzt bin ich so gespannt, was als nächstes kommt.“
Weitere Informationen:
Qiao Xue et al, JWST Thermal Emission of the Terrestrial Exoplanet GJ 1132b, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad72e9