James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt Kohlendioxid in Exoplaneten-Atmosphäre
Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert gleich mit dem ersten wissenschaftlichen Resultat eine Sensation: zum ersten Mal konnte in der Atmosphäre eines Planeten ausserhalb des Sonnensystems CO2 eindeutig nachgewiesen werden. Forschende der Universität Bern, der Universität Genf und des Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS sind an der Studie beteiligt.
Diese Illustration zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b nach dem derzeitigen Kenntnisstand über den Planeten aussehen könnte. Diese Illustration basiert auf indirekten Transitbeobachtungen vom James-Webb-Weltraumteleskop sowie anderen Weltraum- und Bodenteleskopen. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat kein direktes Bild dieses Planeten aufgenommen. © NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted
Aufgrund seiner Rolle bei der Regulierung des Klimas ist Kohlendioxid ist ein zentraler Bestandteil der Erdatmosphäre. Das Molekül in der Atmosphäre von fernen Exoplaneten eindeutig detektieren zu können, ist daher ein essenzieller Schritt bei der Suche nach lebensfreundlichen Welten. Genau dies ist einem internationalen Team von Forschenden, mit Beteiligung der Universität Bern, der Universität Genf und dem Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS dank Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop gelungen. Dieses wird gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation ESA, der Amerikanischen Weltraumbehörde NASA, und der Kanadischen Weltraumorganisation CSA betrieben und hat im Juni 2022 seine wissenschaftliche Arbeit aufgenommen. Nun wurden erste Resultate im Fachmagazin Nature veröffentlicht.
Ein aufgeblähter Gasriese filtert Sternenlicht
Prof. Monika Lendl, Observatoire de Genève, Universität Genf und Mitglied des NFS PlanetS Credit: UNIGE
Der Planet WASP-39b ist ein heisser Gasriese, der einen sonnenähnlichen Stern in 700 Lichtjahren Entfernung von der Erde umkreist. Im Gegensatz zu den Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist WASP-39b seinen Stern in einem engen Orbit – in nur etwa einem Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur – und benötigt für einen Umlauf nur etwas mehr als vier Erdentage. Durch die intensive Sonneneinstrahlung wird der Planet auf etwa 900°C aufgeheizt. «Die Hitze bewirkt, dass sich die Atmosphäre des Planeten ausdehnt und so ist WASP-39b ein Drittel grösser als Jupiter, der grösste Gasriese unseres Sonnensystems.», erklärt Monika Lendl, Mitautorin der Studie, Astronomieprofessorin an der Universität Genf und NFS PlanetS-Mitglied.
Lichtkurven des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von Webb zeigen die Veränderung der Helligkeit des WASP-39 Sternensystems in verschiedenen Wellenlängen (Farben) des Lichts. Sie wurden aufgenommen, während der Planet am am 10. Juli 2022 vor seinem Mutterstern vorbeizog und einen Teil des Sternlichts verdeckte. Dieses Phänomen wird als Transit bezeichnet. © ILLUSTRATION: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI)
Wenn ein Planet direkt vor seinem Stern vorbeizieht, scheint ein Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten, bevor es das Teleskop erreicht. «Die Atmosphäre filtert einige Farben stärker heraus als andere, je nachdem, woraus sie besteht, wie dick sie ist und ob es in ihr Wolken gibt oder nicht», so Lendl. Mit dem James Webb Teleskop können Forschende das Licht in seine Farben aufschlüsseln, um charakteristische «Fingerabdrücke» verschiedener Gase identifizieren und die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen.
Erster eindeutiger Nachweis von Kohlendioxid auf einem Exoplaneten
Dominique Petit dit de la Roche Observatoire de Genève, University of Geneva and member of the NCCR PlanetS. © Courtesy of D. Petit dit de la Roche
Mit Hilfe des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) des Webb-Teleskops konnte das Team von Forschenden den Fingerabdruck von Kohlendioxid in dem Licht, das die Atmosphäre von WASP-39b durchquerte, nachweisen. «Gleich beim ersten Anblick der Daten war klar, dass wir es mit einer spektakulären Entdeckung zu tun haben», sagt Dominique Petit dit de la Roche, Forscherin an der Universität Genf, Mitautorin der Studie und NFS PlanetS Mitglied. «Zum ersten Mal wurde Kohlendioxid eindeutig auf einem Planeten ausserhalb des Sonnensystems nachgewiesen.»
Ein Transmissionsspektrum des heissen Gasriesen WASP-39 b, das von Webbs Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) am 10. Juli 2022 aufgenommen wurde, liefert den ersten eindeutigen Nachweis für Kohlendioxid auf einem Planeten ausserhalb des Sonnensystems. Dies ist auch das erste detaillierte Transmissionsspektrum eines Exoplaneten, das jemals aufgenommen wurde und Wellenlängen zwischen 3 und 5,5 Mikrometern abdeckt. © NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI)
Elspeth Lee, Center for Space and Habitability (CSH) and member of the NCCR PlanetS, University of Bern
© Courtesy of Elspeth Lee
«Die Entdeckung eines so deutlichen Signals von Kohlendioxid auf WASP-39b ist ein gutes Vorzeichen. Sowohl für die Entdeckung von Atmosphären auf kleineren, erdgrossen Planeten als auch für die Messung der Häufigkeit von weiteren Gasen wie Wasser und Methan», sagte Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz, die Leiterin des internationalen Forschungsteams, das die Beobachtungen durchführte.
Das Verständnis der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten erlaubt auch Einblicke in den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung. «Kohlendioxidmoleküle sind gute Indikatoren für die Geschichte der Planetenentstehung», sagt Elspeth Lee, Mitautorin der Studie, Ambizione-Stipendiatin an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS. «Der eindeutige Nachweis von Kohlendioxid in WASP-39b gibt uns Aufschluss über den Bestand an Kohlenstoff- und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre. Dadurch erhalten wir eine Vorstellung von den vielfältigen chemischen Prozessen, die in Atmosphären unter solch extremen Bedingungen ablaufen, sowie von dem möglichen Gesteins- und Gasmaterial, das der Planet während seiner Entstehungsphasen aufgenommen haben könnte», so Lee weiter.
Early Release Science
Die NIRSpec-Beobachtung von WASP-39b ist nur ein Teil eines grossen Beobachtungsvorhabens mit dem James Webb Teleskop, das weitere Beobachtungen von WASP-39b sowie Beobachtungen von zwei anderen Planeten umfasst. Die Beobachtungen sind Teil des sogenannten Early Release Science-Programms, das entwickelt wurde, um der internationalen Forschungsgemeinschaft so schnell wie möglich wissenschaftliche Daten vom James Webb Teleskop zur Verfügung zu stellen und dadurch die bestmögliche wissenschaftliche Nutzung des Weltraumteleskops sicher zu stellen.
Angaben zur Publikation: JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team: Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere, Nature, 2022, http://arxiv.org/abs/2208.11692
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