Verschärfter Blick in eine ferne Atmosphäre

Das fortschrittlichste Auge der Astronomen zeigt sein Potenzial: Mit dem neuen James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen die Eigenschaften der Gashülle des Exoplaneten mit beispielloser Detailtreue enträtselt. : Im Licht, das durch die Atmosphäre des „heißen Jupiter“ WASP- 39 b schimmerte ihre chemische Zusammensetzung im Detail wider. Diese Informationen ermöglichten Rückschlüsse auf photochemische Prozesse und sogar auf die Geschichte der Planetenentstehung. Das nachgewiesene Leistungspotenzial von JWST lässt nun auf weitere spannende Anwendungen hoffen. Wissenschaftler sagen, dass die Erforschung der äußeren Umgebung eines Tages auch Beweise für Leben liefern könnte.

In den letzten Jahren endeten mehrere Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: “Mehr Erkenntnisse könnte das geplante James-Webb-Weltraumteleskop liefern.” Wir befinden uns nun in einer neuen Ära der Astronomie: Die ersten Mitte Juli 2022 veröffentlichten Bilder und Spektren haben bereits für Aufsehen gesorgt. Sie zeigen eine Steigerung der JWST-Leistung im Vergleich zu bisherigen Teleskopen: Es kann tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte mit völlig neuen Detailebenen darstellen und das Lichtspektrum besser aufteilen als zuvor. Dies sind die Ergebnisse des „Early Release Science Program“, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegenden Funktionen und Potenziale von JWST für geplante Forschungszwecke erforschen sollen. Eines der wichtigsten ist das Studium der Atmosphäre von Außerirdischen.

JWST bietet mehr “Perspektiven”

WASP-39b ist das Ziel eines Forschungsteams, das Teil der Transiting Exoplanet-Community des ersten wissenschaftlichen Programms war. Er ist etwa 700 Lichtjahre von uns entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Obwohl er etwa so groß wie Saturn ist, hat er einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Reichweite hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr nahe in nur 4 Tagen um die Erde. Astronomen wählten es für den JWST-Test wegen seiner aufgeblähten Umgebung, die sich besonders für Kreuzspektroskopie-Prozesse eignet. Das Verständnis der Eigenschaften und Zusammensetzung von Gashüllen ist durch das „Regenbogenschmelzen“ von Licht möglich, das durch die Gashülle scheint, wenn die ferne Welt vor ihren Wirtssternen vorbeizieht.

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Astronomen der Transiting Exoplanet-Community nutzten das JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transite von WASP-39b zu beobachten. Bereits im August hatten Wissenschaftler die Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b bekannt gegeben. Sie zeigen jetzt zusätzliche Ergebnisse, die in fünf Editionen unterteilt sind. Darin berichten sie über Untersuchungen mit den Spektrumgeräten NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops zur chemischen Trennung atmosphärischer Bestandteile von WASP-39b und der Aussagekraft der Ergebnisse.

Nachweis der Photochemie

Ein besonderes Highlight ist die Bestätigung der ersten überraschenden Anomalie im Lichtspektrum. Es stellte sich heraus, dass es sich um eine Signatur von Schwefeldioxid handelt, das nun erstmals in einer Exoplanetenatmosphäre entdeckt wird. Das Besondere ist, dass es sich um einen Stoff handelt, der durch einen photochemischen Prozess ähnlich dem Ozon in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Forscher erklären, entstehen Schwefeldioxidmoleküle, wenn die äußeren Schichten der Atmosphäre des Exoplaneten mit der energiereichen Strahlung des Sterns interagieren. Photonen bilden aus Wassermolekülen (H2O) Wasserstoffionen (OH). Unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) findet eine chemische Reaktion statt, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führt. „Dies ist das erste unbestimmte chemische Produkt, das in der Atmosphäre von Außerirdischen gefunden wurde“, schrieben die Wissenschaftler.

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Einige neue Informationen spiegeln auch Aspekte der Planetenentstehung wider: Die Kombination von Informationen über die konkreten Materieanteile in der Atmosphäre von WASP-39b mit der Modellierung der Planetenentstehung und Erkenntnissen über unser Sonnensystem lassen Rückschlüsse zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deutet darauf hin, dass die Kollisionen der ersten Asteroiden zur Entstehung des Himmelskörpers geführt haben, erklärten die Forscher. Insbesondere die Tatsache, dass mehr Sauerstoff als Kohlenstoff in der Atmosphäre vorhanden sei, zeige auch, dass WASP-39b ursprünglich weit entfernt von seinem Stern entstanden sei und sich später nur noch in dessen Umlaufbahn bewegt habe.

Blick in die spannende Zukunft

Noch wichtiger aber sehen Wissenschaftler große Bedeutung in ihren Ergebnissen: Sie stellen ihre Erfahrungen mit der Nutzung von JWST der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung und bieten „Formeln“ für den Umgang mit Datensätzen an. Dies soll die Verwendung eines Teleskops für weitere Beobachtungen dieser Art erleichtern. „Neue Daten stellen einen Wendepunkt dar“, betont Natalia Batalha von der University of California, Santa Cruz, die das aktuelle Beobachtungsprogramm ermöglicht hat. „Diese ersten Beobachtungen sind Vorhersagen über weitere Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf seine Geschwindigkeit gebracht und seinen Prozess getestet. Die Beobachtungen sind nahezu fehlerfrei – sogar besser als wir erwartet hatten“, sagte der Astronom.

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Die aktuellen Ergebnisse seien auch ein Schritt in Richtung eines der größten Ziele der externen Umweltforschung, sagten die Forscher. Einige der Signaturen auf der Gashülle könnten eines Tages Hinweise auf außerirdische Lebensformen liefern, sagen Forscher. Aktuelle Untersuchungen sind wie eine Art Test für Beobachtungstechniken, die in Zukunft eingesetzt werden könnten, um diesen Typ zu finden. Darüber hinaus ist ein grundlegendes Verständnis der Exoplanetenatmosphäre wichtig, um zwischen den atmosphärischen Eigenschaften des Exoplanetenplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen auf der Suche nach Leben unterscheiden zu können.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Ergebnisse wurden am 22. November 2022 in der Zeitschrift Nature in einer fünfteiligen Serie veröffentlicht.

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