Neue Ära der Erforschung von Exoplaneten beginnt mit „bemerkenswerter“ JWST-Studie zu WASP

Untersuchungen der Atmosphäre eines Exoplaneten mit Instrumenten des James Webb-Weltraumteleskops haben die Entdeckung neuer Moleküle und Wolkenstrukturen ergeben.

In einer Reihe von Studien in fünf Artikeln hat ein großes internationales Team, darunter Forscher des Imperial College London, die Leistungsfähigkeit des James Webb Space Telescope (JWST) für die Untersuchung von Exoplaneten demonstriert.

Mit dem Teleskop wurde die Atmosphäre des Exoplaneten WASP-39b untersucht, einem Gasriesenplaneten, der einen 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist. WASP-39b ist extrem „aufgedunsen“ – sein Radius ist etwas größer als der von Jupiter, aber weniger als die Hälfte der Masse. Das bedeutet, dass den Forschern viel Atmosphäre zum Lernen geboten wird.

Das am Weihnachtstag 2021 gestartete JWST betreibt Infrarotastronomie und ist der Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops. Es verfügt über verschiedene Arten von Sensorinstrumenten, darunter den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec), die Nahinfrarot-Kamera (NIRCam) und den Nahinfrarot-Imager und spaltlosen Spektrographen (NIRISS), die für die neuen Studien verwendet wurden.

Die Messungen von WASP-39b werden durchgeführt, wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, wobei das Sternenlicht durch seine Atmosphäre scheint und den Instrumenten viele Details über die chemische Zusammensetzung und Struktur der Atmosphäre liefert.

Im August 2022 wurde bekannt gegeben, dass eines der Instrumente Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b nachgewiesen hatte, was das erste Mal war, dass dieses Molekül in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Die neuen Daten einer ganzen Reihe von Instrumenten zeigen auch den ersten Nachweis von Kohlenmonoxid in der Atmosphäre von WASP-39b sowie den ersten Nachweis von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten.

Das Team entdeckte, dass das Schwefeldioxid durch Photochemie entsteht – chemische Reaktionen, die durch Sternenlicht katalysiert werden. Dies ist das erste Mal, dass ein photochemisches Nebenprodukt auf einem Exoplaneten nachgewiesen wurde. Die Photochemie ist für das Leben auf der Erde von grundlegender Bedeutung, von der Ozonproduktion in der oberen Atmosphäre über die Photosynthese in Pflanzen und Algen bis hin zur Produktion von Vitamin D in unserer Haut.

Das zur Identifizierung dieser neuen Moleküle verwendete Verfahren ermöglicht den Forschern neben dem zuvor entdeckten Wasser, Natrium und Kalium auch einen frühen Einblick in die Elementhäufigkeitsverhältnisse, die den Anteil zweier Elemente vergleichen.

Diese Messungen, wie etwa das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff und Kalium zu Sauerstoff, können Forschern Aufschluss darüber geben, wie sich der Planet in jungen Jahren aus der Gas- und Staubscheibe um den Mutterstern gebildet hat.

Die Studien offenbaren auch Hinweise auf eine ungleichmäßige Wolkenbedeckung in der Atmosphäre von WASP-39b, möglicherweise in ähnlicher Weise wie Wolken auf Saturn und Jupiter.

Die neuen Arbeiten wurden von den Doktoranden Zafar Rustamkulov an der Johns Hopkins University, Lili Alderson an der University of Bristol, Eva-Maria Ahrer an der University of Warwick, Adina Feinstein an der University of Chicago und Shang-Min Tsai an der University of geleitet Oxford.

James Kirk vom Fachbereich Physik am Imperial College London war ein wichtiges Mitglied des NIRSpec PRISM-Teams und lieferte unabhängige Analysen der Daten mithilfe einer von ihm selbst geschriebenen Software.

Das Instrument misst die Helligkeit des Sterns, während sie sich im Laufe der Zeit ändert, in der der Planet vor ihm vorbeizieht. Daraus ergeben sich rund 21.500 Messungen über einen Zeitraum von acht Stunden. Die Software von Dr. Kirk gleicht diese Helligkeitsmessungen mit Planetenmodellen ab, um ein Lichtspektrum zu erzeugen und die in der Atmosphäre des Planeten vorhandenen Atome und Moleküle aufzudecken.

Auf diese Weise war er einer der ersten Menschen, der Ergebnisse zur atmosphärischen Zusammensetzung des Planeten lieferte. Er sagte: „Ich war überwältigt, als ich zum ersten Mal das Spektrum des Planeten sah. Ich wusste, dass wir etwas Bemerkenswertes hatten, was den Grad der Struktur im Spektrum und die Präzision angeht, die wir erreicht haben.

„Der Detaillierungsgrad von JWST ist revolutionär. Es ist unglaublich aufregend, daran zu denken, dass wir erst am Anfang der JWST-Ära stehen.“

Die NIRSpec PRISM-Daten zeigten einen klaren Nachweis von Natrium, Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid und deuteten auf das Vorhandensein von Schwefeldioxid hin, was von einem der anderen Instrumente bestätigt wurde.

Die Instrumente messen verschiedene Aspekte des Spektrums mit einigen Überlappungen an den Rändern, sodass Forscher überprüfen können, ob sie dieselben Ergebnisse erzielen, was für diese Instrumentenreihe nachgewiesen wurde.

Dr. Kirk fügte hinzu: „Die Studien zeigen, dass JWST außergewöhnlich gut funktioniert und daher unser Verständnis der Atmosphären sowohl von Gasriesen als auch potenziell bewohnbaren Exoplaneten erheblich verbessern wird.“

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Bildquelle oben: Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

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