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Was haben wir Menschen mit den Sternen gemeinsam? Menschen werden geboren, leben und sterben eines Tages – Sterne ebenso. Aber bei Sternen passiert alles über kosmologisch lange Zeitskalen und mit…

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Erstmals CO2 auf einem Exoplaneten nachgewiesen

Mit Hilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) gelang es einem internationalen Forschungsteam, darunter Wissenschaftler an der Universitäts-Sternwarte München, zum ersten Mal Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten eindeutig nachzuweisen. Das Ergebnis liefert wichtige Einblicke in die Zusammensetzung und Entstehung des Planeten und bildet den Auftakt eines großen Beobachtungsprogrammes mit dem JWST.

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten WASP-39b. Diese Illustration basiert auf indirekten Transitbeobachtungen von JWST sowie anderen erdgebundenen und Weltraumteleskopen. Weil der Planet sehr nah an seinem Stern ist, ist er sehr heiß und wahrscheinlich in einer durch Gezeitenkräfte gebundenen Rotation, bei der eine Seite immer dem Stern zugewandt ist. Die neuen Daten zeigen eindeutige Hinweise auf Kohlendioxid in der Atmosphäre. Frühere Beobachtungen von Hubble, Spitzer und anderen Teleskopen deuten zudem auf das Vorhandensein von Wasserdampf, Natrium und Kalium hin. Der Planet hat vermutlich Wolken und irgendeine Form von Wetter. Bild: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted

Der Exoplanet WASP-39b ist ein heißer Gasriese, der in einer Entfernung von 700 Lichtjahren zur Erde um einen sonnenähnlichen Stern kreist. Der Planet hat eine Masse von nur etwa einem Viertel der Jupitermasse (vergleichbar mit Saturn), ist aber gut 1,3-mal größer als Jupiter. WASP-39b ist unter anderem wegen seiner extrem hohen Temperatur von gut 900°C so aufgebläht: Im Gegensatz zu Saturn und Jupiter, den Gasriesen unseres Sonnensystems, befindet sich der Exoplanet ganz nah an seinen Stern, in einem Abstand von nur etwa einem Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur. Ein „Jahr“ auf WASP-39b ist daher auch entsprechend kurz – nicht viel mehr als vier Erdentage.

Gefiltertes Sternenlicht

Entdeckt wurde WASP-39b im Jahr 2011 mithilfe der Transitmethode. Transit bedeutet, dass die Bahn des Planeten so geneigt ist, dass wir ihn von der Seite sehen. Der Planet wandert folglich bei jedem Umlauf direkt vor seinem Mutterstern durch und verdeckt dabei jedes Mal einen Teil des Sterns. Somit verdunkelt sich dieser in regelmäßigen Intervallen für die Dauer des Transits.

Verfügt ein Planet über eine Atmosphäre, dann kann das Sternenlicht während des Transits durch diese hindurchdringen. Das Gas der Planetenatmosphäre absorbiert dabei gewisse Wellenlängen des Sternenlichts und hinterlässt in seinem Spektrum dunkle Absorptionslinien. Da verschiedene chemische Elemente unterschiedliche Wellenlängen absorbieren, entsteht so im Sternenlicht ein charakteristischer ,,Fingerabdruck” der Planetenatmosphäre.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben für die Beobachtungen von WASP-39b den Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) des James-Webb-Teleskops verwendet, der das Sternenlicht in seine Wellenlängen aufteilt, und so die Absorptionslinien sichtbar macht. Frühere Beobachtungen des Exoplaneten mit anderen Teleskopen, darunter die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer, fanden bereits Indizien für Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf, Natrium und Kalium in seiner Atmosphäre. Die unübertroffene Infrarotempfindlichkeit des JWST konnte nun das Vorkommen von CO2 eindeutig bestätigen. Der Nachweis eines so deutlichen Signals des Gases auf WASP-39b eröffnet auch den Weg zur Untersuchung von CO2 in den Atmosphären kleinerer, erdgroßer Planeten.

Mysteriöse Herkunft von Gasriesen

Gesteins- und Gasplaneten bilden sich bekanntlich in den Gas- und Staubscheiben junger Sterne. Wie und wo genau heiße Gasriesen entstehen, die wie WASP-39b nah um ihren Stern kreisen, sind aber noch offene Fragen. Wichtige Hinweise dazu finden sich jedoch in ihren Atmosphären. ,,Ein Gasriese, der als heißer Gasklumpen begann, kann sich nahe an seinem Mutterstern entwickeln und sollte auch eine chemische Zusammensetzung wie dieser haben“, erklärt Dr. Karan Molaverdikhani von der Universitäts-Sternwarte München, die zur Ludwig-Maxmilians-Universität München gehört. ,,Wohingegen ein Gasriese, der als kleiner Kiesel begann, nur in einer Entfernung zu seinem Stern heranwachsen kann, wo Eis- und Staubkörner nicht schmelzen. Solche Planetenatmosphären sind dann mit mehr schwereren Elementen wie Kohlenstoff angereichert“, schließt Molaverdikhani. Das hohe CO2-Vorkommen in WASP-39b könnte also darauf hindeuten, dass der Exoplanet seine Existenz als Kiesel in den kälteren Regionen fern seines Sterns begann, und erst nach einer Reise durch sein Planetensystem auf seine jetzige Umlaufbahn gelangte.

Die NIRSpec-Beobachtung von WASP-39b ist nur ein Teil einer größeren Untersuchung, die Beobachtungen des Planeten mit mehreren Instrumenten sowie Beobachtungen von zwei anderen Transitplaneten umfasst. Die Untersuchung im Rahmen des ,,Early Release Science“-Programms wurde entwickelt, um der Exoplaneten-Forschungsgemeinschaft so schnell wie möglich robuste Daten des James-Webb-Teleskops zur Verfügung zu stellen.

Publikation:

"Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere", The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team: Ahrer et al. (2022), Nature
 

Kontakt:

Dr. Karan Molaverdikhani
Ludwig-Maximilians-Universität München
Karan.Molaverdikhani(at)colorado.edu