Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat den ersten eindeutigen Beweis für Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems erfasst. Diese Beobachtung eines Gasriesenplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern in 700 Lichtjahren Entfernung umkreist, liefert wichtige Einblicke in die Zusammensetzung und Entstehung des Planeten. Der zur Veröffentlichung in Nature akzeptierte Befund liefert Hinweise darauf, dass Webb in Zukunft möglicherweise Kohlendioxid in den dünneren Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten nachweisen und messen kann.
WASP-39 b ist ein heißer Gasriese mit einer Masse von etwa einem Viertel der Masse von Jupiter (etwa so viel wie Saturn) und einem 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Schwellung hängt teilweise mit seiner hohen Temperatur zusammen (etwa 1.600 Grad Fahrenheit oder 900 Grad Celsius). Im Gegensatz zu den kühleren, kompakteren Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist WASP-39 b seinen Stern sehr nahe – nur etwa ein Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur – und absolviert eine Umrundung in etwas mehr als vier Erdentagen. Die Entdeckung des Planeten, über die im Jahr 2011 berichtet wurde, beruhte auf bodengestützten Detektionen des subtilen, periodischen Dimmens des Lichts seines Wirtssterns, wenn der Planet durch den Stern wandert oder vor ihm vorbeizieht.
Frühere Beobachtungen von anderen Teleskopen, einschließlich der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer der NASA, zeigten das Vorhandensein von Wasserdampf, Natrium und Kalium in der Atmosphäre des Planeten. Webbs unübertroffene Infrarotempfindlichkeit hat nun auch das Vorhandensein von Kohlendioxid auf diesem Planeten bestätigt.
Gefiltertes Sternenlicht
Transitplaneten wie WASP-39 b, deren Umlaufbahnen wir nicht von oben, sondern von der Seite beobachten, können Forschern ideale Möglichkeiten bieten, Planetenatmosphären zu untersuchen.
Während eines Transits wird ein Teil des Sternenlichts vollständig vom Planeten verfinstert (was die allgemeine Verdunkelung verursacht) und ein Teil wird durch die Atmosphäre des Planeten übertragen.
Da verschiedene Gase unterschiedliche Farbkombinationen absorbieren, können Forscher kleine Helligkeitsunterschiede des durchgelassenen Lichts über ein Spektrum von Wellenlängen analysieren, um genau zu bestimmen, woraus eine Atmosphäre besteht. Mit seiner Kombination aus aufgeblähter Atmosphäre und häufigen Transits ist WASP-39 b ein ideales Ziel für die Transmissionsspektroskopie .
Erster eindeutiger Nachweis von Kohlendioxid
Das Forschungsteam verwendete den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von Webb für seine Beobachtungen von WASP-39b. Im resultierenden Spektrum der Atmosphäre des Exoplaneten stellt ein kleiner Hügel zwischen 4,1 und 4,6 Mikrometer den ersten klaren, detaillierten Beweis für Kohlendioxid dar, der jemals auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems nachgewiesen wurde.
„Sobald die Daten auf meinem Bildschirm erschienen, packte mich das satte Kohlendioxid-Feature“, sagte Zafar Rustamkulov, ein Doktorand an der Johns Hopkins University und Mitglied des JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Teams, das diese Untersuchung durchführte. Es war ein besonderer Moment, eine wichtige Schwelle in der Exoplanetenwissenschaft zu überschreiten.“
Noch nie zuvor hat ein Observatorium solch subtile Helligkeitsunterschiede in so vielen einzelnen Farben im Bereich von 3 bis 5,5 Mikrometern in einem Transmissionsspektrum eines Exoplaneten gemessen. Der Zugang zu diesem Teil des Spektrums ist entscheidend für die Messung der Häufigkeit von Gasen wie Wasser und Methan sowie Kohlendioxid, von denen angenommen wird, dass sie in vielen verschiedenen Arten von Exoplaneten vorkommen.
„Der Nachweis eines so deutlichen Kohlendioxidsignals auf WASP-39 b verheißt Gutes für die Erkennung von Atmosphären auf kleineren, erdgroßen Planeten“, sagte Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz, die das Team leitet.
Das Verständnis der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten ist wichtig, weil es uns etwas über den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung verrät. „Kohlendioxidmoleküle sind empfindliche Spurenelemente der Geschichte der Planetenentstehung“, sagte Mike Line von der Arizona State University, ein weiteres Mitglied dieses Forschungsteams. „Durch die Messung dieses Kohlendioxid-Merkmals können wir bestimmen, wie viel festes im Vergleich zu wie viel gasförmigem Material verwendet wurde, um diesen Gasriesenplaneten zu bilden. In den kommenden zehn Jahren wird JWST diese Messung für eine Vielzahl von Planeten durchführen und Einblicke in die Details der Planetenentstehung und die Einzigartigkeit unseres eigenen Sonnensystems geben.“
Wissenschaft der frühen Freisetzung
Diese NIRSpec-Prismenbeobachtung von WASP-39 b ist nur ein Teil einer größeren Untersuchung , die Beobachtungen des Planeten mit mehreren Webb-Instrumenten sowie Beobachtungen von zwei anderen vorbeiziehenden Planeten umfasst. Die Untersuchung, die Teil des Early Release Science- Programms ist, wurde entwickelt, um der Exoplaneten-Forschungsgemeinschaft so schnell wie möglich belastbare Webb-Daten zur Verfügung zu stellen.
„Das Ziel ist es, die Beobachtungen von Early Release Science schnell zu analysieren und Open-Source-Tools zu entwickeln, die von der Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden können“, erklärte Vivien Parmentier, Co-Forscherin an der Universität Oxford. „Das ermöglicht Beiträge aus aller Welt und stellt sicher, dass aus den Beobachtungen der kommenden Jahrzehnte die bestmögliche Wissenschaft hervorgeht.“
Natasha Batalha, Co-Autorin des Papiers des Ames Research Center der NASA, fügt hinzu, dass „die Open-Science-Leitprinzipien der NASA sich auf unsere Early-Release-Science-Arbeit konzentrieren und einen integrativen, transparenten und kooperativen wissenschaftlichen Prozess unterstützen.“
Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumwissenschaften. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, in ferne Welten um andere Sterne blicken und die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin untersuchen. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA mit ihren Partnern ESA (European Space Agency) und der Canadian Space Agency geleitet wird.
Quelle: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-detects-carbon-dioxide-in-exoplanet-atmosphere
Christian Dauck 