November 29, 2022

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Das James-Webb-Weltraumteleskop enthüllt die Atmosphäre eines Exoplaneten wie nie zuvor

Das James-Webb-Weltraumteleskop enthüllt die Atmosphäre eines Exoplaneten wie nie zuvor

Neue Beobachtungen von WASP-39b mit JWST lieferten ein klareres Bild des Exoplaneten und zeigten das Vorhandensein von Natrium, Kalium, Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid in der Atmosphäre des Planeten. Die Illustration dieses Künstlers zeigt auch neu entdeckte Wolkenflecken, die über den Planeten verstreut sind. Bildnachweis: Melissa Weiss/Das Astrophysikalische Zentrum | Harvard und Smithsonian

Das James Webb Space Telescope (JWST) hat gerade eine weitere Premiere erzielt: ein detailliertes molekulares und chemisches Bild des fernen Himmels der Erde.


Das hochempfindliche Instrumentencluster des Teleskops richtete sich auf die Atmosphäre des „heißen Saturn“ – eines Planeten mit Saturnmasse, der einen etwa 700 Lichtjahre entfernten Stern umkreist – bekannt als WASP-39 b. Während JWST und andere Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Spitzer, zuvor isolierte Komponenten der Atmosphäre dieses Planeten entdeckt hatten, liefert die neue Anzeige einen vollständigen Katalog von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken.

„Die Klarheit der Signale von einer Reihe verschiedener Teilchen in den Daten ist bemerkenswert“, sagt Mercedes Lopez-Morales, Astrophysikerin am Zentrum für Astrophysik. Harvard und Smithsonian und einer der Wissenschaftler, die zu den neuen Erkenntnissen beigetragen haben.

„Wir hatten erwartet, dass wir viele dieser Signale sehen würden, aber als ich die Daten zum ersten Mal sah, war ich überwältigt“, fügt Lopez-Morales hinzu.

Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Exoplaneten-Wolken aus der Nähe erscheinen könnten: lose statt einer einzigen, einheitlichen Hülle über dem Planeten.

Das James-Webb-Weltraumteleskop enthüllt die Atmosphäre eines Exoplaneten wie nie zuvor

Die Zusammensetzung der Atmosphäre des heißen Gasriesen Exoplaneten WASP-39 b wurde vom NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope enthüllt. Diese Grafik zeigt vier Transmissionsspektren von drei Webb-Instrumenten, die in vier Instrumentenmodi arbeiten. Sie sind alle in einem gemeinsamen Maßstab aufgetragen, der von 0,5 bis 5,5 Mikron reicht. Das Transmissionsspektrum wird erstellt, indem Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, wenn es sich vor dem Stern bewegt, mit ungefiltertem Sternenlicht verglichen wird, das erkannt wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Jeder der Datenpunkte (weiße Kreise) in diesen Diagrammen stellt die spezifische Wellenlängenmenge des Lichts dar, die der Planet blockiert und von seiner Atmosphäre absorbiert wird. Wellenlängen, die bevorzugt von der Atmosphäre absorbiert werden, erscheinen als Peaks im Transmissionsspektrum. Die blaue Linie ist das am besten passende Modell, das bekannte Daten und Eigenschaften von WASP-39 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse und Temperatur) sowie hypothetische Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt. Forscher können die Parameter im Modell ändern – indem sie unbekannte Eigenschaften wie die Wolkenhöhe in der Atmosphäre und die Häufigkeit verschiedener Gase verändern –, um eine bessere Übereinstimmung zu erzielen und ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, was die Atmosphäre wirklich ist. Oben links zeigen Daten von NIRISS Fingerabdrücke von Kalium (K), Wasser (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Oben rechts zeigen Daten von NIRCam eine deutliche hydrophile Signatur. Unten links zeigen Daten von NIRSpec Wasser, Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO). Unten rechts zeigen zusätzliche NIRSpec-Daten alle diese Moleküle zusätzlich zu Natrium (Na). Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Die Ergebnisse sind ein gutes Zeichen für die Fähigkeit des JWST, die breite Palette von Untersuchungen auf Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen, auf die Wissenschaftler gehofft haben. Dazu gehört die Untersuchung der Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

Bemerkten wir Exoplanet „Die gemeinsame Verwendung mehrerer Instrumente bietet ein breites Spektrum an Infrarotspektren und eine Reihe chemischer Signaturen, die bis JWST unzugänglich sind“, sagte Natalie Batalha, Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die an der neuen Forschung mitgewirkt und diese koordiniert hat. Daten wie diese verändern das Spiel.“

Die Sammlung von Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neu eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, die auf der Preprint-Site arXiv verfügbar sind. Zu den beispiellosen Entdeckungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten, einem Molekül, das aus chemischen Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht des Muttersterns des Planeten erzeugt werden. Auf der Erde ist die schützende Ozonschicht drin Obere Atmosphäre Es wird auf ähnliche Weise erstellt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop enthüllt die Atmosphäre eines Exoplaneten wie nie zuvor

Dieses Bild zeigt eine künstlerische Darstellung des Planeten WASP-39 b und seines Sterns. Der Planet hat eine trübe orange-blaue Atmosphäre mit Andeutungen von Längswolkenbändern darunter. Der linke Quadrant des Planeten (die dem Stern zugewandte Seite) wird beleuchtet, während der Rest im Schatten liegt. Der Stern ist hell gelblich-weiß, ohne klare Konturen. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

„Die überraschende Entdeckung von Schwefeldioxid bestätigt endlich, dass die Photochemie ein ‚heißes Saturn‘-Klima formt“, sagt Diana Powell, NASA Hubble Fellow, Astronomin am Astrophysical Center und Kernmitglied des Teams, das die Entdeckung von Schwefeldioxid gemacht hat . Die Erde ist auch durch Photochemie, also hat unser Planet mehr mit dem ‚heißen Saturn‘ gemeinsam, als wir bisher wussten.“

Gia Adams, eine Harvard-Studentin und Forscherin am Center for Astrophysics, analysierte Daten, die das Schwefeldioxidsignal bestätigten.

„Als Nachwuchsforscher auf dem Gebiet der Atmosphären von Exoplaneten ist es sehr aufregend, Teil einer Entdeckung wie dieser zu sein“, sagt Adams. „Der Prozess der Analyse dieser Daten schien magisch. Wir haben Hinweise auf dieses Merkmal in frühen Daten gesehen, aber dieses hochauflösende Tool enthüllte die Signatur von SO.“2 klar und half uns, das Rätsel zu lösen.“

Bei einer geschätzten Temperatur von 1.600 Grad Fahrenheit und einer Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, wird angenommen, dass WASP-39 b nicht bewohnbar ist. Der Exoplanet wurde sowohl mit Saturn als auch mit Jupiter verglichen, mit einer ähnlichen Masse wie Saturn, aber mit einer Gesamtgröße von der Größe von Jupiter. Aber die neue Arbeit weist den Weg, Beweise für mögliches Leben auf einem bewohnbaren Planeten zu finden.

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur an unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Muttersternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte zu einem tieferen Verständnis dafür führen, wie diese Prozesse die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten erzeugen.

Andere von JWST entdeckte Bestandteile der Atmosphäre sind Natrium, Kalium und Wasserdampfwas frühere Beobachtungen durch weltraum- und bodengestützte Teleskope bestätigt und zusätzliche Wassermerkmale bei längeren Wellenlängen findet, die zuvor noch nicht gesehen wurden.

JWST sah auch Kohlendioxid mit einer höheren Auflösung, die das Doppelte der Daten liefert, die von ihren früheren Beobachtungen berichtet wurden. während, Kohlenmonoxid wurde entdeckt, aber klare Signaturen sowohl von Methan als auch von Schwefelwasserstoff fehlten in den Daten. Wenn sie existieren, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor, ein wichtiger Befund für Wissenschaftler, die die Chemie von Exoplaneten inventarisieren, um die Entstehung und Entwicklung dieser fernen Welten besser zu verstehen.

Die Erfassung eines so breiten Spektrums der Atmosphäre von WASP-39 b war eine gewaltige wissenschaftliche Tour de Force, da ein internationales Team Hunderte von unabhängig analysierten Daten aus vier Modi der präzise kalibrierten Instrumente von JWST digitalisierte. Dann führten sie detaillierte Vergleiche ihrer Ergebnisse durch, was zu wissenschaftlich genaueren Ergebnissen führte.

JWST sieht das Universum herein Infrarotlicht, am roten Ende des Lichtspektrums jenseits dessen, was das menschliche Auge sehen kann; Es ermöglicht dem Teleskop, chemische Signaturen aufzunehmen, die im sichtbaren Licht nicht erkannt werden können.

Jedes der drei Instrumente hat sogar eine Version von Infrarot „IR“ im Namen: NIRSpec, NIRCam und NIRISS.

Um das Licht von WASP-39 b zu sehen, verfolgte JWST den Planeten, als er vor seinem Stern vorbeizog, und ließ einen Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten filtern. Verschiedene Arten von Chemikalien in der Atmosphäre absorbieren verschiedene Farben des Sternenlichtspektrums, sodass die fehlenden Farben den Astronomen sagen, welche Moleküle vorhanden sind.

Durch die sorgfältige Analyse eines Exoplaneten Atmosphärenübertrifft die Leistung der JWST-Instrumente die Erwartungen der Wissenschaftler – und verspricht eine neue Phase der Erforschung der zahlreichen Exoplaneten der Galaxie.

„Ich freue mich darauf zu sehen, was wir in den Atmosphären kleiner terrestrischer Planeten finden“, sagt López-Morales.

Mehr Informationen:
Shang-Min Tsai et al, Direkter Beweis für Photochemie in der Atmosphäre eines Exoplaneten, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10490

Lili Alderson et al., Science of Early Launches of WASP-39b Exoplanets with JWST NIRSpec G395H, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10488

Z. Rustamkulov et al, Early Release Science of the Exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10487

Eva-Maria Ahrer et al, Science of Early Exoplanet Launch WASP-39b with JWST NIRCam, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10489

Adina D. Feinstein et al., Science of Early Exoplanet Launch WASP-39b with JWST NIRISS, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10493

Zeitschrifteninformationen:
arXiv

das Zitat: James Webb Space Telescope Reveals Exoplanet Atmosphere Never Seen Before (2022, 22. November) Abgerufen am 22. November 2022 von https://phys.org/news/2022-11-james-webb-space-telescope-reveals.html

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