WASP-39b, ein etwa 700 Lichtjahre entfernter Gasriese, entpuppt sich als wahrer exoplanetarer Schatz.
Anfang dieses Jahres war WASP-39b Gegenstand der allerersten Entdeckung von Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems.
Jetzt hat uns eine gründliche Analyse von Daten des James Webb Space Telescope (JWST) eine absolute Goldgrube an Informationen geliefert: den bisher detailliertesten Einblick in die Atmosphäre eines Exoplaneten.
Die Ergebnisse umfassen Informationen über die Wolken von WASP-39b, den allerersten direkten Nachweis von Photochemie in einer Exoplanetenatmosphäre und eine nahezu vollständige Bestandsaufnahme der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre, die verlockende Hinweise auf die Entstehungsgeschichte des Exoplaneten enthüllt.
Diese epischen Entdeckungen wurden in fünf Artikeln veröffentlicht Naturund ebnen den Weg für die eventuelle Entdeckung der chemischen Signaturen des Lebens außerhalb des Sonnensystems.
„Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorbote weiterer erstaunlicher Wissenschaften, die mit JWST kommen werden“, sagt die Astrophysikerin Laura Kreidberg, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Deutschland.
„Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft, um die Leistung zu testen, und es war nahezu fehlerfrei – sogar besser als wir gehofft hatten.“
Seit die ersten Exoplaneten in den frühen 1990er Jahren entdeckt wurden, haben wir versucht, mehr über diese Welten zu erfahren, die fremde Sterne umkreisen.
Aber die Herausforderungen waren steil. Exoplaneten können extrem klein sein und sind extrem weit entfernt. Die meisten von ihnen haben wir noch nie gesehen: Wir kennen ihre Existenz nur aufgrund der Wirkung, die sie auf ihre Wirtssterne haben.
Einer dieser Effekte tritt auf, wenn der Exoplanet zwischen uns und dem Stern vorbeizieht, ein Ereignis, das als Transit bezeichnet wird. Dadurch wird das Sternenlicht leicht gedimmt; Periodische Dimmerereignisse deuten auf die Anwesenheit eines umlaufenden Körpers hin. Wir können sogar sagen, wie groß dieser umlaufende Körper ist, basierend auf den Dimm- und Gravitationseffekten auf den Stern.
Und es gibt noch etwas, das wir basierend auf Transitdaten sagen können. Wenn Sternenlicht die Atmosphäre des vorbeiziehenden Exoplaneten passiert, verändert es sich. Einige Wellenlängen im Spektrum werden gedimmt oder aufgehellt, je nachdem, wie Moleküle in der Atmosphäre Licht absorbieren und wieder emittieren.
Das Signal ist schwach, aber mit einem ausreichend starken Teleskop und einem Stapel von Transiten können die sich ändernden Absorptions- und Emissionsmerkmale im Spektrum entschlüsselt werden, um den Inhalt der Atmosphäre eines Exoplaneten zu bestimmen.
JWST ist das leistungsstärkste Weltraumteleskop, das je gestartet wurde. Mit drei seiner vier Instrumente erhielt es detaillierte Infrarotspektren des Sterns WASP-39. Wissenschaftler machten sich dann an die Arbeit, die bunten Codes zu analysieren.
Zunächst wurde eine Zählung der in der Atmosphäre von WASP-39b vorhandenen Moleküle durchgeführt. Neben dem bereits erwähnten Kohlendioxid entdeckten die Forscher Wasserdampf, Natrium und Kohlenmonoxid. Es wurde kein Methan nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass die Metallizität von WASP-39b höher ist als die der Erde.
Auch die Fülle dieser Elemente ist aufschlussreich. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff deutet darauf hin, dass sich der Exoplanet viel weiter von seinem Wirtsstern entfernt gebildet hat als seine derzeitige nahe Position und eine Umlaufbahn von vier Tagen einnimmt. Und Modellierungs- und Beobachtungsdaten deuten darauf hin, dass der Himmel des Exoplaneten von zerbrochenen Wolken bevölkert ist – nicht aus Wasser, sondern aus Silikaten und Sulfiten.
Schließlich zeigten die Beobachtungen das Vorhandensein einer Verbindung namens Schwefeldioxid. Hier im Sonnensystem, auf felsigen Welten wie der Venus und dem Jupitermond Io, ist Schwefeldioxid das Ergebnis vulkanischer Aktivität. Aber auf Gaswelten hat Schwefeldioxid eine andere Entstehungsgeschichte: Es entsteht, wenn Schwefelwasserstoff durch Licht in seine Bestandteile zerlegt und der entstehende Schwefel oxidiert wird.
Photoneninduzierte chemische Reaktionen sind als Photochemie bekannt und haben Auswirkungen auf die Bewohnbarkeit, die Stabilität einer Atmosphäre und die Bildung von Aerosolen.
WASP-39b, um es klar zu sagen, ist wahrscheinlich aus einer ganzen Reihe von Gründen nicht für das Leben, wie wir es kennen, bewohnbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf seine sengende Temperatur und gasförmige Zusammensetzung, aber der Nachweis von Photochemie ist einer, der Auswirkungen auf hat atmosphärische Studien anderer Welten und das Verständnis der Entwicklung von WASP-39b selbst.
Planetenwissenschaftler bereiten sich seit Jahren auf die Einblicke in Atmosphären vor, die JWST liefern sollte. Mit der ersten detaillierten Exoplaneten-Atmosphärenanalyse scheint das Weltraumteleskop sein Versprechen zu halten.
Darüber hinaus bereiten die an dieser Forschung beteiligten Teams eine Dokumentation vor, damit andere Wissenschaftler ihre Techniken auf zukünftige JWST-Exoplanetenbeobachtungen anwenden können.
Wir können mit JWST vielleicht nicht die Signaturen des Lebens in einer Exoplanetenatmosphäre erkennen – vielleicht wird ein noch leistungsstärkeres Teleskop erforderlich sein, um dieses Maß an feinen Details zu liefern – aber mit der Analyse von WASP-39b fühlt sich diese Entdeckung immer verlockender zum Greifen nah .
“Daten wie diese”, sagt die Astronomin Natalie Batalha von der University of California Santa Cruz, “sind ein Game Changer.”
Die Forschung wird veröffentlicht Natur und kann in Vorabdrucken hier, hier, hier, hier und hier gelesen werden.