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Wie findet man Gas auf fremden Planeten?

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. So funktioniert Transmissionsspektroskopie: 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. 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. 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. (Bild: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI)) arrow forward Image Zoom
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.
So funktioniert Transmissionsspektroskopie: 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.
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.
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. (Bild: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI))
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