Wie findet man Gas auf fremden Planeten?

Atmosphäre eines Exoplaneten durchleuchtet Wie findet man Gas auf fremden Planeten?

31.08.2022 Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) |

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Max-Planck-Institut für Astronomie für Astronomie

Die acht Planeten unseres Sonnensystems kennt fast jeder, doch das Universum ist voll von ihnen. Über 5.000 haben Astronomen bereits entdeckt. Und nun ist es mithilfe des James-Webb-Teleskops erstmal gelungen, Kohlendioxid in der Atmosphäre eines solchen Exoplaneten nachzuweisen – ein Meilenstein für die Astronomie.

Abb. 1: Eine Illustration, die zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b nach dem derzeitigen Wissen über den Planeten aussehen könnte. Diese Illustration basiert auf indirekten Transitbeobachtungen von Webb sowie anderen erdgebundenen und Weltraumteleskopen.
(Bild: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI))

Heidelberg – Seit Januar 2022 kreist das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das von der NASA, der ESA und der CSA betrieben wird, in seiner Umlaufbahn in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung um die Erde und hat schon zahlreiche spektakuläre Aufnahmen geliefert. Auch die nun veröffentlichten Daten reihen sich in diese Erfolgsgeschichte dieser Mission ein. Denn mit Webb ist nun der erste eindeutige Nachweis für Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems gelungen.

Diese Beobachtung eines Gasriesenplaneten liefert wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Entstehung des Planeten. Das Ergebnis ist auch ein Hinweis auf die einzigartige Fähigkeit von Webb, Kohlendioxid in den dünneren Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten zu entdecken und zu messen.

Ein entfernter Exot im Blick des Webb-Teleskops

Ort der Entdeckung ist WASP-39 b: ein heißer 700 Lichtjahre entfernter Gasriese mit einer Masse von etwa einem Viertel der des Jupiters (etwa so viel wie Saturn) und einem 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt teilweise mit seiner hohen Temperatur von ca. 900 °C zusammen. Im Gegensatz zu den kühleren, kompakteren Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist WASP-39 b seinen Stern in unmittelbarer Nähe – nur etwa ein Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur – und vollendet einen Umlauf in etwas mehr als vier Erdtagen.

Der Exoplanet WASP-39 b

WASP-39 b ist ein heißer, gasförmiger Exoplanet, der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern im Sternbild Jungfrau umkreist. Der Planet kreist außergewöhnlich nah um seinen Stern (weniger als 1/20 der Entfernung zwischen Erde und Sonne). Er vollendet eine Umkreisung in etwas mehr als vier Erdtagen. Die Entdeckung des Planeten, die auf bodengestützten Beobachtungen beruht, wurde 2011 bekannt gegeben. Der Stern WASP-39 hat ungefähr die gleiche Größe, Masse, Temperatur und Farbe wie die Sonne. Das Webb-Teleskop hat noch kein direktes Bild des Planeten oder seiner Atmosphäre aufgenommen.

Die Entdeckung des Planeten, über die bereits 2011 berichtet wurde, basierte auf bodengestützten Entdeckungen des schwachen, periodischen Abdunkelns des Sternenlichts, wenn der Planet vor seinem Zentralstern vorbeizieht, als einen Transit vor dem Stern vollzieht (wie diese Methode funktioniert, ist in der Bildergalerie in Abb. 2 erklärt).

Frühere Beobachtungen durch andere Teleskope, darunter die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer, wiesen Wasserdampf, Natrium und Kalium in der Atmosphäre des Planeten nach. Die Infrarotempfindlichkeit des JWST hat nun auch das Vorkommen von Kohlendioxid auf diesem Planeten bestätigt.

Spektroskopie in den Tiefen des Kosmos

Transitplaneten wie WASP-39 b, deren Umlaufbahnen wir nicht von oben, sondern von der Seite beobachten, bieten Astronomen ideale Möglichkeiten, die Planetenatmosphäre zu untersuchen. Während des Transits verdeckt der Planet einen Teil des Sternenlichts, was zu einer generellen Verdunkelung führt. Ein kleinerer Teil des Lichts passiert die Atmosphäre des Planeten.

Da verschiedene Gase unterschiedliche Kombinationen von Farben absorbieren, können Forscher kleine Helligkeitsunterschiede des durchgelassenen Lichts über ein Spektrum von Wellenlängen analysieren, um genau zu bestimmen, woraus eine Atmosphäre besteht (mehr dazu in der Bildergalerie in Abb. 3). Die Kombination aus aufgeblähter Atmosphäre und häufigen Transits macht WASP-39 b zu einem idealen Ziel für die Transmissionsspektroskopie.

Bildergalerie

Abb. 2: Ein Transmissionsspektrum des heißen Gasriesen WASP-39 b, das der Nahinfrarot-Spektrograf (NIRSpec) des Teleskops Webb am 10. Juli 2022 aufgenommen hat, liefert den ersten eindeutigen Nachweis für Kohlendioxid auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems. Dieses Ergebnis ist das erste detaillierte Transmissionsspektrum, das jemals aufgenommen wurde und Wellenlängen zwischen 3 und 5,5 Mikrometer abdeckt. <br><b>So funktioniert Transmissionsspektroskopie:</b> Ein Transmissionsspektrum von einem Stern mit Exoplanet wird erstellt, indem man Sternenlicht aus zwei Zuständen miteinander vergleicht: einmal das ungefilterte Sternenlicht, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Und einmal das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, wenn er sich vor den Stern bewegt. <br>Jeder der 95 Datenpunkte (weiße Kreise) auf diesem Diagramm stellt den Anteil einer bestimmten Wellenlänge des Lichts dar, der von dem Planeten blockiert und von seiner Atmosphäre absorbiert wird. Dieses Spektrum ist das Ergebnis der Messung der Helligkeitsveränderung der einzelnen Wellenlängen im Laufe der Zeit, während der Planet seinen Stern umkreist. Die Atmosphäre des Planeten absorbiert einige Wellenlängen stärker als andere. Wellenlängen, die von der Atmosphäre absorbiert werden, erscheinen als Spitzen im Transmissionsspektrum. Der Anstieg bei 4,3 Mikrometern steht für das Licht, das von Kohlendioxid (CO2) absorbiert wird. Die grauen Linien, die sich über und unter jedem Datenpunkt erstrecken, sind Fehlerbalken, die die Messunsicherheit oder den angemessenen Bereich der tatsächlich möglichen Werte angeben. Für eine einzelne Beobachtung ist der Fehler bei diesen Messungen extrem gering. Die blaue Linie ist ein bestmögliches Modell, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-39 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die angenommenen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt. <br>Die Forscher können die Parameter des Modells variieren – z. B. unbekannte Eigenschaften wie die Wolkenhöhe in der Atmosphäre und die Häufigkeit verschiedener Gase – um eine bessere Anpassung zu erhalten und besser zu verstehen, wie die Atmosphäre wirklich beschaffen ist. Das Modell geht davon aus, dass der Planet hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, mit geringen Mengen an Wasser, Kohlendioxid und einem dünnen Wolkenschleier. Das Team beobachtete den Planeten mit dem NIRSpec PRISM Zeitserienmodus für helle Objekte. Dabei wird das Licht eines einzelnen hellen Objekts (z. B. des Sterns WASP-39) durch ein Prisma aufgefächert und die Helligkeit der einzelnen Wellenlängen in bestimmten Zeitabständen gemessen.

Abb. 3: Eine Reihe von Lichtkurven des Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) des Teleskops Webb zeigt die Veränderung der Helligkeit von drei verschiedenen Wellenlängen (Farben) des Lichts des WASP-39-Sternsystems im Laufe der Zeit, als der Planet den Stern am 10. Juli 2022 umkreiste. Transite finden statt, wenn sich ein Planet zwischen dem Stern und das Teleskop schiebt und einen Teil des Sternenlichts blockiert. Diese Beobachtung wurde mit dem NIRSpec PRISM Zeitserienmodus für helle Objekte gemacht. Dabei wird das Licht eines einzelnen hellen Objekts (wie dem Stern WASP-39) mit einem Prisma aufgefächert und die Helligkeit jeder Wellenlänge in bestimmten Zeitabständen gemessen. Um diese Daten zu erfassen, hat Webb mehr als acht Stunden lang auf das WASP-39-Sternsystem geblickt, beginnend etwa drei Stunden vor dem Transit und endend etwa zwei Stunden nach dem Transit. Der Transit selbst dauerte etwa drei Stunden. <br>Jede Kurve enthält 500 einzelne Helligkeitsmessungen – etwa eine pro Minute. Obwohl alle Farben bis zu einem gewissen Grad durch den Planeten blockiert werden, werden einige stärker abgeschwächt als andere. Der Grund dafür ist, dass verschiedene atmosphärische Gase unterschiedliche Mengen verschiedener Wellenlängen absorbieren. Das führt dazu, dass jede Farbe eine leicht unterschiedliche Lichtkurve hat. Während des Transits von WASP-39 b ist das Licht mit einer Wellenlänge von 4,3 Mikrometern nicht so hell wie das Licht mit 3,0 oder 4,7 Mikrometern, weil Kohlendioxid es absorbiert.

Erster eindeutiger Nachweis von Kohlendioxid

Das Forschungsteam hat für seine Beobachtungen von WASP-39b den Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) des Teleskops James Webb verwendet. Als Mitglied eines europäischen Konsortiums lieferte das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg die Mechanismen der Filter- und Gitterräder, die NIRSpec zur Aufspaltung des Lichts in Wellenlängen verwendet. Im resultierenden Spektrum der Atmosphäre des Exoplaneten ist der geringe Helligkeitsanstieg zwischen 4,1 und 4,6 Mikrometern für Exoplanetenforscher alles andere als unbedeutend (s. Abb. 2). Es ist der erste klare, detaillierte und unbestreitbare Nachweis von Kohlendioxid, der jemals auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt wurde.

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„Als die Daten auf meinem Bildschirm erschienen, hat mich das riesige Kohlendioxid-Signal sofort begeistert“, sagt Zafar Rustamkulov, Doktorand an der Johns Hopkins University in Baltimore, USA, und Mitglied des Transit-Exoplaneten-Teams. „Es war ein besonderer Moment, der eine wichtige Schwelle in der Exoplanetenforschung überschreitet.“

Künstlerische Darstellung der Oberfläche der neu entdeckten heißen Super-Erde Gliese 486b (RenderArea (renderarea.com))

„Meilenstein für die Charakterisierung der Atmosphäre von Exoplaneten“

Kein Observatorium hat jemals zuvor so feine Helligkeitsunterschiede zwischen 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, Methan und Kohlendioxid, die Astronomen auf vielen verschiedenen Exoplaneten vermuten. „Die Entdeckung eines so deutlichen Signals von Kohlendioxid auf WASP-39 ist ein gutes Zeichen für die Entdeckung von Atmosphären auf kleineren, erdgroßen Planeten“, sagt Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz, USA, die das Team leitet.

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Die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten zu verstehen ist wichtig, weil sie uns etwas über den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung verrät. Kohlendioxidmoleküle sind empfindliche Indikatoren für die Geschichte der Planetenentstehung. Wissenschaftler können ermitteln, wie viel festes und wie viel gasförmiges Material diesem Gasriesenplaneten während seiner Entstehung zugeführt wurde.

„Dieser eindeutige Nachweis von CO₂ ist ein wichtiger Meilenstein für die Charakterisierung der Atmosphäre von Exoplaneten“, erklärt MPIA-Direktorin und Co-Autorin Laura Kreidberg. „CO₂ ist ein wichtiger Indikator für die Entstehungsgeschichte von Planeten: Es hilft uns, das komplette Kohlenstoff- und Sauerstoffinventar der Atmosphäre zu messen, das sehr empfindlich auf die Bedingungen in der Scheibe reagiert, in der der Planet entstanden ist.“ Mithilfe der CO₂-Messung können die Wissenschaftler z. B. den ursprünglichen Entstehungsort des Planeten, die Eigenschaften der eingebrachten Feststoffe und Gase sowie die spätere Wanderung des Planeten besser eingrenzen.

Originalpublikation: JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team: Eva-Maria Ahrer, Lili Alderson, Natalie M. Batalha et al.: Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere, Nature (2022); DOI: 10.48550/arXiv.2208.11692

(ID:48552505)

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