Bislang wissen wir nur von einem Planeten in unserer Galaxie sicher, dass es dort Leben gibt: unsere eigene Erde, die seit Milliarden von Jahren von den unterschiedlichsten Lebewesen bewohnt wird. Von Einzellern, die Kohlenstoff statt Sauerstoff atmen, über Pflanzen die sich nicht vom Fleck rühren können bis hin zu neugierigen Menschen ist so Einiges dabei. Auf unserem Planeten wimmelt es geradezu vor Leben.

Ob das auf anderen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems auch so ist, wissen wir nicht. Was wir auch nicht wissen: Wie könnte Leben dort überhaupt aussehen? Ähnlich wie auf der Erde, mit Einzellern, Pflanzen und Zweibeinern? Dann ist die grundlegende Frage, wie irdische Forscherinnen und Forscher nach etwas suchen können, von dem sie noch nicht einmal wissen, wie es aussieht und welche Spuren es hinterlässt.

Was wäre, wenn sich genau diese Frage in diesem Moment ein solches außerirdisches Lebewesen auch stellen sollte? Mal angenommen, es gäbe sie, die Aliens – nicht unendlich weit weg, sondern irgendwo ums kosmische Eck in unserer Milchstraße. Vielleicht sind sie genauso neugierig wie wir. Vielleicht blicken auch sie in ihren Nachthimmel, stellen astronomische Beobachtungen an und finden tatsächlich einen Gesteinsplaneten, der als dritter Planet einen nicht besonders großen Stern umkreist – unsere Erde.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts dreht Franzi den Spieß bei der Suche nach außerirdischem Leben um: Wie könnten außerirdische Lebensformen herausfinden, dass die Erde ein bewohnter Planet ist? Zunächst müssten sie den Planeten überhaupt finden. Das irdische Leben hat seine Spuren hinterlassen, es gibt Biosignaturen und sogar Technosignaturen, die auf intelligentes Leben und einen gewissen technologischen Entwicklungsstand schließen lassen. Was also könnten Aliens überhaupt beobachten, um die folgende Frage zu beantworten: Gibt es Leben auf der Erde?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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Quelle: ESA 25. Juli 2024.

25. Juli 2024 – Der Planet mit der Bezeichnung Epsilon Indi Ab hat die mehrfache Masse des Jupiter und umkreist den Stern vom Typ K Epsilon Indi A (Eps Ind A), der etwa so alt wie unsere Sonne ist, aber etwas kühler. Das Team beobachtete Epsilon Indi Ab mit dem Koronagraphen des MIRI-Instruments (Mid-Infrared Instrument) von Webb. Nur einige Dutzend Exoplaneten wurden bisher von weltraum- und bodengestützten Teleskopen direkt abgebildet.

„Diese Entdeckung ist aufregend, weil der Planet dem Jupiter recht ähnlich ist – er ist etwas wärmer und massereicher, aber er ähnelt dem Jupiter mehr als jeder andere Planet, der bisher abgebildet wurde“, sagte die Hauptautorin Elisabeth Matthews vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland.

„Unsere bisherigen Beobachtungen dieses Systems waren eher indirekte Messungen des Sterns, die es uns ermöglichten, frühzeitig zu erkennen, dass es in diesem System wahrscheinlich einen Riesenplaneten gibt, der an dem Stern zerrt“, fügt Teammitglied Caroline Morley von der University of Texas in Austin, USA, hinzu. „Deshalb hat unser Team dieses System ausgewählt, um es zuerst mit Webb zu beobachten.“

Analoges Sonnensystem
Bei den bereits abgebildeten Exoplaneten handelt es sich in der Regel um die jüngsten und heißesten Exoplaneten, die noch einen Großteil der Energie aus der Zeit ihrer Entstehung abstrahlen. Wenn Planeten im Laufe ihres Lebens abkühlen und schrumpfen, werden sie deutlich schwächer und sind daher schwieriger abzubilden.

„Kalte Planeten sind sehr lichtschwach, und der Großteil ihrer Strahlung liegt im mittleren Infrarot“, erklärt Matthews. „Webb ist ideal geeignet, um Aufnahmen im mittleren Infrarotbereich zu machen, was von der Erde aus extrem schwierig ist. Wir brauchten auch eine gute räumliche Auflösung, um den Planeten und den Stern in unseren Bildern zu trennen, und der große Webb-Spiegel ist in dieser Hinsicht äußerst hilfreich.“

Epsilon Indi Ab ist einer der kältesten Exoplaneten, die bisher direkt entdeckt wurden, mit einer geschätzten Temperatur von 2 Grad Celsius – kälter als jeder andere abgebildete Planet außerhalb unseres Sonnensystems und kälter als alle anderen frei schwebenden Braunen Zwerge bis auf einen [1]. Der Planet ist nur etwa 100 Grad Celsius wärmer als Gasriesen in unserem Sonnensystem. Damit bietet sich den Forschenden die seltene Gelegenheit, die atmosphärische Zusammensetzung echter Analoga des Sonnensystems zu untersuchen.

„Astronom*innen haben sich Planeten in diesem System seit Jahrzehnten vorgestellt; fiktive Planeten, die Epsilon Indi umkreisen, waren Schauplatz von Star Trek Episoden, Romanen und Videospielen wie Halo“, fügt Morley hinzu. „Es ist aufregend, dort nun tatsächlich einen Planeten zu sehen und seine Eigenschaften zu messen.“

Nicht ganz wie vorhergesagt
Epsilon Indi Ab ist der zwölftnächste bisher bekannte Exoplanet in Erdnähe und der nächstgelegene Planet, der massereicher als Jupiter ist. Das Wissenschaftsteam entschied sich für die Untersuchung von Eps Ind A, weil das System mit Hilfe einer Technik namens Radialgeschwindigkeit, die die Hin- und Herbewegungen des Zentralsterns entlang unserer Sichtlinie misst, Hinweise auf einen möglichen planetaren Körper lieferte.

„Wir hatten zwar erwartet, in diesem System einen Planeten zu entdecken, weil es Hinweise auf seine Anwesenheit mit der Radialgeschwindigkeit gab, aber der Planet, den wir gefunden haben, entspricht nicht unseren Erwartungen“, so Matthews, “er ist etwa doppelt so massiv, etwas weiter von seinem Stern entfernt und hat eine andere Umlaufbahn als erwartet. Die Ursache für diese Diskrepanz bleibt eine offene Frage. Auch die Atmosphäre des Planeten scheint ein wenig anders zu sein als die Modellvorhersagen. Bisher haben wir nur wenige photometrische Messungen der Atmosphäre, so dass es schwierig ist, Schlussfolgerungen zu ziehen, aber der Planet ist bei kürzeren Wellenlängen schwächer als erwartet.“

Das Team glaubt, dass dies bedeuten könnte, dass es in der Atmosphäre des Planeten beträchtliche Mengen an Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gibt, die die kürzeren Wellenlängen des Lichts absorbieren. Dies könnte auch auf eine stark bewölkte Atmosphäre hindeuten.

Die direkte Abbildung von Exoplaneten ist für ihre Charakterisierung besonders wertvoll. Die Forschenden können das Licht des beobachteten Planeten direkt auffangen und seine Helligkeit bei verschiedenen Wellenlängen vergleichen. Bislang hat das Wissenschaftsteam Epsilon Indi Ab nur bei einigen wenigen Wellenlängen entdeckt, aber es hofft, den Planeten in Zukunft mit Webb erneut zu besuchen, um sowohl photometrische [2] als auch spektroskopische Beobachtungen durchzuführen. Man hofft auch, andere ähnliche Planeten mit Webb zu entdecken, um mögliche Trends in Bezug auf ihre Atmosphären und die Entstehung dieser Objekte zu ermitteln.

Die Ergebnisse wurden mit Webb’s Cycle 1 GO Programm #2243 aufgenommen und in Nature veröffentlicht.

Fußnoten
[1] Dieser Braune Zwerg, bekannt als Wise 0855, wurde 2014 entdeckt und von Webb beobachtet.
[2] Photometrie ist die Wissenschaft der Messung der Lichtmenge, die von einem Stern empfangen wird.

Weitere Informationen
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startservices durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte auch den Spektrographen NIRSpec und 50 % des Instruments für das mittlere Infrarot (MIRI) zur Verfügung, das von einem Konsortium national getragener europäischer Institute (The MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Kanadischen Raumfahrtagentur (CSA).

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Quelle: Universität Bern 8. Mai 2024.

8. Mai 2024 – Brice-Olivier Demory vom Center for Space and Habitability CSH der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS ist Mitautor der Studie, die kürzlich in Nature veröffentlicht wurde. Er sagt: «55 Cancri e ist einer der rätselhaftesten Exoplaneten. Trotz enormer Beobachtungszeit in den letzten zehn Jahres mit einem Dutzend Boden- und Weltrauminstrumenten blieben seine Eigenschaften unbekannt. Dies änderte sich nun mit der Auswertung von Daten, die mit dem NASA/ESA/CSA James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) gewonnen wurden.» Unerwarteterweise zeigen diese Beobachtungen von 55 Canceri e einerseits, dass ein heisser und starker Strahlung ausgesetzter Gesteinsplanet eine Gasatmosphäre besitzen könnte, und sie sind ausserdem ein gutes Vorzeichen für die Fähigkeit des JWST, kühlere – und möglicherweise habitable – Gesteinsplaneten zu charakterisieren, die sonnenähnliche Sterne umkreisen. Renyu Hu vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, Erstautor der aktuellen Studie, sagt: «JWST erweitert die Möglichkeiten der Charakterisierung von Exoplaneten auf felsige Exoplaneten», sagte Hu. «Dies eröffnet ein neues Forschungsfeld.»

Berner Weltraumteleskop CHEOPS lieferte wichtige Erkenntnisse
Demory wurde von Hu, einem seiner Kollegen aus seiner Zeit am Massachusetts Institute of Technology MIT, zum Forschungsprogramm eingeladen. Demory hat 55 Cancri e seit Beginn seiner Karriere untersucht: «Als Postdoc am MIT leitete ich die Entdeckung des ersten Transits von 55 Cancri e, und 2016 veröffentlichte mein Team die erste Karte eines felsigen Exoplaneten, der 55 Cancri e war.» Das Ergebnis von 2016 deutete bereits auf das mögliche Vorhandensein einer Atmosphäre um 55 Cancri e hin. Für die aktuelle Studie führte Demory eine unabhängige Analyse des Datensatzes durch. Er erklärt: «In den vergangenen zwei Jahren hat das Weltraumteleskop CHEOPS, das an der Universität Bern entwickelt und gebaut wurde, entscheidend dazu beigetragen, mehrere Fragen von Astrophysikern und Astrophysikerinnen zu 55 Cancri e zu beantworten. JWST ergänzte dieses Bild bei Infrarot-Wellenlängen und zeigte, dass die Super-Erde 55 Cancri e von einer Atmosphäre umgeben ist, deren Zusammensetzung mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid übereinstimmt.»

Superheisse Super-Erde und dennoch kühler als erwartet
Obwohl 55 Cancri e in seiner Zusammensetzung den Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem ähnelt, könnte die Bezeichnung «felsig» einen falschen Eindruck vermitteln. Der Planet kreist so nahe um seinen Stern (eine volle Umkreisung dauert 18 Stunden, verglichen mit den 365 Tagen unserer Erde um die Sonne), dass seine Oberfläche geschmolzen sein muss und ein tiefer, brodelnder Ozean aus Magma ist. «Der Planet ist so heiss, dass ein Teil des geschmolzenen Gesteins verdampfen sollte», erklärt Hu. Bei einer so engen Umlaufbahn um seinen Stern ist der Planet wahrscheinlich auch gezeitenabhängig. Das bedeutet, dass seine Tagseite immer dem Stern zugewandt ist und seine Nachtseite in ständiger Dunkelheit liegt.

Obwohl JWST kein direktes Bild von 55 Cancri e einfangen kann, ist es in der Lage, subtile Veränderungen im Licht des Systems zu messen, wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht. Das Team verwendete die NIRCam (Nahinfrarotkamera) und das MIRI (Mittelinfrarotinstrument) von JWST, um das vom Planeten kommende Infrarotlicht zu messen. Durch Subtraktion der Helligkeit während der sekundären Finsternis, wenn sich der Planet hinter dem Stern befindet (nur Sternenlicht), von der Helligkeit, wenn sich der Planet direkt neben dem Stern befindet (Licht von Stern und Planet zusammen), konnte das Team die Menge an Infrarotlicht verschiedener Wellenlängen berechnen, das von der Tagseite des Planeten stammt.

Der erste Hinweis darauf, dass 55 Cancri e eine nennenswerte Atmosphäre besitzen könnte, ergab sich aus Temperaturmessungen, die auf der thermischen Emission, also der in Form von Infrarotlicht abgegebenen Wärmeenergie, basieren. Wenn der Planet mit einem dünnen Schleier aus verdampftem Gestein oder gar keiner Atmosphäre bedeckt wäre, müsste die Temperatur auf der Tagseite etwa 2’200 Grad Celsius betragen. «Stattdessen zeigten die MIRI-Daten eine relativ niedrige Temperatur von etwa 1’500 Grad Celsius», so Hu. «Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Energie von der Tagseite des Planeten auf die Nachtseite übertragen wird, höchstwahrscheinlich durch eine Atmosphäre mit vielen flüchtigen Bestandteilen.» Lavaströme könnten zwar etwas Wärme auf die Nachtseite transportieren, aber nicht effizient genug, um die Temperaturdifferenz zu erklären. Selbst wenn die Wärme gleichmässig über den Planeten verteilt wäre, erscheint die Tagseite um mehrere hundert Grad kühler als erwartet. Dies kann damit erklärt werden, dass ein Teil des von der Oberfläche abgestrahlten Infrarotlichts von der Atmosphäre absorbiert wird, bevor es von Teleskopen gemessen werden kann.

Blubbernder Magma-Ozean
Das Team geht davon aus, dass die Gase, die 55 Cancri e bedecken, aus dem Inneren des Planeten heraussprudeln. Die primäre Atmosphäre wäre aufgrund der hohen Temperatur und der intensiven Strahlung des Sterns längst verschwunden. Es würde sich also um eine sekundäre Atmosphäre handeln, die durch den Magmaozean ständig gespiesen wird, da Magma nicht nur aus Kristallen und flüssigem Gestein besteht, sondern auch eine Menge gelöstes Gas enthält.

Obwohl 55 Cancri e viel zu heiss ist, um habitabel zu sein, könnte er ein einzigartiges Fenster für die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Atmosphären, Oberflächen und dem Inneren von Gesteinsplaneten bieten und vielleicht auch Einblicke in die frühe Erde sowie in Venus und Mars ermöglichen, von denen man annimmt, dass sie von Magma-Ozeanen bedeckt waren. «Letztendlich wollen wir verstehen, welche Bedingungen es einem Gesteinsplaneten ermöglichen, eine gasreiche Atmosphäre aufrechtzuerhalten: die wichtigste Zutat für einen bewohnbaren Planeten» sagt Hu abschliessend.

Publikation:
A Secondary Atmosphere on the Rocky Exoplanet 55 Cnc e by Renyu Hu and al. ist in Nature publiziert.
DOI: 10.1038/s41586-024-07432-x
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07432-x

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 30. April 2024.

30. April 2024 – Ein Forschungsteam, darunter auch Forschende des MPIA, hat mit Hilfe des Weltraumteleskops James Webb eine Temperaturkarte des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-43b erstellt. Der nahe gelegene Mutterstern beleuchtet ständig eine Hälfte des Planeten und lässt die Temperaturen auf glühende 1250 Grad Celsius ansteigen. Während­dessen herrscht auf der anderen Seite ewige Nacht. Heftige Winde wehen die glühend heiße Luft auf die Nacht­seite, wo sie auf 600 Grad abkühlt, so dass sich Wolken bilden und die gesamte Hemisphäre bedecken. Diese Stürme beeinträchtigen die chemischen Reaktionen so sehr, dass sich kaum Methan bilden kann, obwohl es unter ruhigeren Bedingungen reichlich vorhanden sein müsste.

Heiße Jupiter sind extreme Gasriesen-Exoplaneten, die ihre Wirtssterne in unmittelbarer Nähe umkreisen. Dies führt zu einer Reihe exotischer Eigenschaften hinsichtlich Temperatur, Dichte, Zusammensetzung, Chemie und Wetter. Mit dem Aufkommen revolutionärer empfindlicher Teleskope, wie dem Weltraumteleskop James Webb (JWST), haben Astro­nominnen und Astronomen begonnen, ihre Atmosphären im Detail zu untersuchen.

Eine internationale Forschungs-Kooperation, das JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS) Team, hat das Klima des heißen Jupiter WASP-43b mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST im Detail ins Visier genommen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung unter der Leitung von Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, USA) wurden in Nature Astronomy veröffentlicht.

Eine extreme Welt, wie es sie im Sonnensystem nicht gibt
Das zentrale Ergebnis ist eine Karte der globalen Temperaturverteilung. Sie wurde aus dem Infrarotlicht abgeleitet, das WASP-43b als Reaktion auf die Bestrahlung durch seinen Wirtsstern aussendet. Da MIRI einen Spektralbereich abdeckt, der für warme Materialien empfindlich ist, funktioniert es ähnlich wie ein berührungsloses Thermometer, das zur Messung von Körpertemperaturen verwendet wird, allerdings über große Entfernungen, die bei WASP-43b 280 Lichtjahre betragen. In dieser Karte liegen die gemessenen Temperaturen zwischen 600 und 1250 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu erreicht Jupiter, der Gasriese im Sonnensystem, bei vergleichbaren Beobachtungen frostige –135 Grad.

Obwohl er in Größe und Masse dem Jupiter ähnelt, ist WASP-43b eine ganz andere Welt. Der Planet befindet sich auf einer außergewöhnlich engen Umlaufbahn um seinen Wirtsstern WASP-43. Er rast gerade einmal zwei Sterndurchmesser über der Oberfläche des Sterns und vollendet seine Bahn in nur 19,5 Stunden. Der geringe Abstand führte dazu, dass der Tag und das Jahr des Planeten sich aneinander anglichen. Mit anderen Worten: Die Umrundung des Sterns dauert genauso lange, wie der Planet für eine Drehung um seine Achse benötigt. Folglich beleuchtet und erwärmt der Stern immer dieselbe Seite des Planeten.

Winde transportieren die Luft auf die gegenüberliegende Hemisphäre, wo sie in der ewigen Nacht abkühlt. Auf WASP-43b sind diese Winde jedoch extrem heftig, mit Windgeschwindigkeiten von fast 9000 km/h. Das übertrifft alles, was wir in unserem Sonnensystem beobachten können. Im Vergleich dazu sind selbst die stärksten Winde auf dem Jupiter nur ein laues Lüftchen.

Wasserdampf, Wolken aus flüssigem Gestein und ein überraschender Mangel an Methan
„Schon mit Hubble konnten wir auf der Tagseite Wasserdampf deutlich nachweisen. Weltraumteleskope wie Hubble und Spitzer deuteten darauf hin, dass es auf der Nachtseite Wolken geben könnte“, erklärt Taylor Bell. „Um die Temperatur, die Wolkenbedeckung, die Winde und die detailliertere atmosphärische Zusammensetzung rund um den Planeten zu kartieren, benötigten wir aber präzisere Messungen mit dem JWST.“

Die JWST-Beobachtungen ergaben, dass der Temperaturkontrast zwischen der Tages- und der Nachtseite stärker ist, als man es bei einer wolkenfreien Atmosphäre erwarten würde. Modellberechnungen bestätigen, dass die Nachtseite des Planeten von einer dicken Wolkenschicht hoch oben in der Atmosphäre umhüllt ist, die einen Großteil der Infra­rot­strah­lung von den unteren Schichten blockiert, die wir sonst sehen würden. Die genaue Art der Wolken ist noch unbekannt. Auf jeden Fall handelt es sich nicht um Wasserwolken wie auf der Erde, geschweige denn um Ammoniakwolken, wie wir sie auf dem Jupiter sehen. Denn der Planet ist viel zu heiß, als dass Wasser und Ammoniak kondensieren könnten. Stattdessen dürften bei diesen Temperaturen eher Wolken aus Gestein und Mineralien vorhanden sein. Wir sollten also Wolken aus flüssigen Gesteinströpfchen erwarten. Andererseits scheint die heißere Tagseite von WASP-43b wolkenfrei zu sein.

Um die Zusammensetzung der Atmosphäre genauer zu untersuchen, erstellte das Team Spektren, d. h. sie zerlegten das empfangene Infrarotlicht in winzige Wellenlängenabschnitte, ähnlich wie ein Regenbogen, der die Farbkomponenten des Sonnenlichts sichtbar macht. Mit dieser Methode konnten sie die Signaturen einzelner chemischer Verbindungen identifizieren, die bei bestimmten Wellenlängen strahlen. Im Ergebnis bestätigten die Astronominnen und Astronomen frühere Messungen von Wasserdampf, nun allerdings über den gesamten Planeten. Hubble konnte nur die Tagseite studieren, da die Nachtseite zu dunkel war, um dort Moleküle zu erkennen. JWST mit seiner höheren Empfindlichkeit vervollständigt nun das Bild.

Ferner beherbergen heiße Jupiter typischerweise große Mengen an molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die beide mit den Beobachtungen des Teams nicht untersucht werden konnten. Wenn sie jedoch der kühleren Nachtseite ausgesetzt sind, nehmen Wasserstoff und Kohlenmonoxid an einer Reihe von Reaktionen teil, die Methan und Wasser erzeugen. MIRI hat jedoch kein Methan gefunden. Die Forschenden erklären diese Überraschung mit den enormen Windgeschwindigkeiten auf WASP-43b. Die Re­aktions­part­ner passieren die kühlere Nachtseite so schnell, dass für die erwarteten chemischen Reaktionen nur wenig Zeit bleibt, um nachweisbare Mengen an Methan zu produzieren. Jeder noch so kleine Anteil an Methan wird gründlich mit den anderen Gasen vermischt. Es erreicht schnell wieder die Tagseite, wo es der zerstörerischen Hitze ausgesetzt ist.

„Mit dem JWST ist es uns gelungen, WASP-43b in noch nie dagewesener Detailtreue zu enträtseln“, sagt Laura Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Sie ist Mitautorin des zugrundeliegenden Forschungsartikels und dem Planeten seit einem Jahrzehnt auf der Spur. „Wir sehen eine komplexe, unwirtliche Welt mit heftigen Winden, enormen Temperaturunterschieden und einer Wolkendecke, die wahrscheinlich aus Gesteinströpfchen besteht. WASP-43b erinnert uns daran, wie vielfältig das Klima auf Exoplaneten sein kann und dass die Erde in vielerlei Hinsicht besonders ist.“

Beobachtung eines Planetenkarussells
WASP-43b wurde 2011 durch die Transitmethode entdeckt. Immer wenn die Umlaufbahn eines Exoplaneten so ausgerichtet ist, dass er aus unserer Perspektive vor seinem Wirtsstern vorbeizieht, blockiert die Bedeckung einen kleinen Teil des Sternenlichts. Dieser periodische Abfall der Sternhelligkeit ist ein verräterisches Zeichen für ein Objekt, das um den Stern kreist. Anhand der genauen Signalform lassen sich die Größe des Planeten und die Neigung seiner berechnen.

Astronominnen und Astronomen machen sich einen sekundären Effekt zunutze, um den Planeten im Detail zu untersuchen. Nehmen wir als Beispiel die Venus, die während ihres Umlaufs um die Sonne ihre Beleuchtung ähnlich wie Mondphasen ändert. Exoplaneten zeigen in ähnlicher Weise unterschiedliche Phasen der Infrarotstrahlung, je nachdem, wie der Stern die Tagseite aufheizt. Die Beobachtung der allmählichen Veränderung der Proportionen zwischen der heißen und der kühlen Hemisphäre ergibt ein charakteristisches Muster, das zeigt, wie sich die gemessene Infrarot-Helligkeit des Planeten mit der Zeit verändert. Die Analyse dieses winzigen Signals, der sogenannten Phasenkurve, die das Team von WASP-43b erhielt, ermöglichte die Erstellung der Temperaturkarte und die Kartierung der Gasverteilung in seiner Atmosphäre.

Die Zukunft ist infrarot-strahlend
Eine Folgestudie eines anderen Teams unter der Leitung des ehemaligen MPIA-Wissenschaftlers Stephan Birkmann (Europäische Weltraumorganisation, ESA) wird WASP-43b mit dem Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des JWST untersuchen. Diese Messungen sind empfindlich für Kohlenmonoxidgas, das in der Atmosphäre weitverbreitet sein sollte. Weiterhin wird die erweiterte Wellenlängenabdeckung die Genauigkeit der MIRI-Temperaturkarte verbessern und dazu beitragen, die Verteilung und Zusammensetzung der Wolken genauer zu untersuchen.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Laura Kreidberg, Eva-Maria Ahrer (außerdem University of Warwick, Coventry, UK), Sebastian Zieba (außerdem Sternwarte Leiden, Universität Leiden, Niederlande [Leiden]) und Maria E. Steinrueck (jetzt University of Chicago, USA).

Weitere Forscher sind Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, Moffet Field, USA), Nicolas Crouzet (Leiden) und Patricio E. Cubillos (INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino, Pino Torinese, Italien und Weltraumforschungsinstitut, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Graz, Österreich).

Das MIRI-Konsortium besteht aus den ESA-Mitgliedstaaten Belgien, Dänemark, Frankreich, Deutschland, Irland, den Niederlanden, Spanien, Schweden, der Schweiz und dem Vereinigten Königreich. Die nationalen Wissen­schafts­orga­nisationen finanzieren die Arbeit des Konsortiums – in Deutschland die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die beteiligten deutschen Institutionen sind das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die Universität Köln und die Hensoldt AG in Oberkochen, ehemals Carl Zeiss Optronics.

Das JWST ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. Es ist ein internationales Programm, das von der NASA gemeinsam mit ihren Partnern ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation) geleitet wird.

Originalveröffentlichung
Taylor J. Bell, Nicolas Crouzet, Patricio E. Cubillos, Laura Kreidberg, et al.
Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b
Nature Astronomy (2024)
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02230-x
https://arxiv.org/abs/2401.13027
pdf: https://arxiv.org/pdf/2401.13027

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Der Beitrag Wolken bedecken die Nachtseite des heißen Exoplaneten WASP-43b erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Eingepackt in eine dicke Atmosphäre aus Wasserstoff fristet K2-18b seit einigen Jahrmilliarden eine eigentlich unbescholtene Existenz als Exoplanet um einen roten Zwergstern. Er kreist irgendwo in Richtung des Sternbilds Löwe, rund 120 Lichtjahre von uns entfernt. Doch nachdem Forschende ihn 2015 entdeckt hatten, gerieten zumindest sie in Aufregung: Denn K2-18b ist zwar größer als die Erde und gleichzeitig weniger dicht – er besitzt also vermutlich keine feste Oberfläche aus Gestein – aber er umkreist seinen Stern in der sogenannten habitablen Zone: der Region um einen Stern, in der es flüssiges Wasser geben könnte. Außerdem ist der Planet mit einer dicken Atmosphäre gesegnet, die sich indirekt mit unseren Weltraumteleskopen beobachten lässt. Somit ist K2-18b ein perfektes Ziel für Forscherinnen und Forscher, die mehr über die für uns so fremde Welt erfahren wollen.

In dieser Podcastfolge erzählt Franzi die Geschichte des Exoplaneten K2-18b: was wir derzeit wirklich über diesen Planeten wissen können und was nicht – und woher die Gerüchte kommen, dass auf diesem so unscheinbaren Exoplaneten gar eine Biosignatur entdeckt worden sein soll.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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Quelle: AIP 10. Januar 2024.

10. Januar 2024 – Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass das Magnetfeld von Sternen ihre eigene Rotation endlos verlangsamt. Neue Beobachtungen und ausgefeilte Methoden geben nun neue und unerwartete Einblicke in die magnetischen Geheimnisse eines Sterns: Die kosmischen Hotspots für die Suche nach außerirdischen Nachbarn könnten Planeten um Sterne, die sich in ihrer Midlife-Crisis und darüber hinaus befinden, darstellen. Aufschluss über magnetische Phänomene und bewohnbare Umgebungen gibt eine neue Studie, die die Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlichte.

Die Schweizer Astronomen Michael Mayor und Didier Queloz gaben 1995 die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bekannt, der einen fernen, sonnenähnlichen Stern mit der Bezeichnung 51 Pegasi umkreist. Seitdem wurden über 5500 sogenannte Exoplaneten gefunden, die um andere Sterne in unserer Galaxie kreisen. 2019 erhielten die beiden Wissenschaftler für ihre Pionierarbeit gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Diese Woche veröffentlichte ein internationales Team neue Beobachtungen von 51 Pegasi, die darauf hindeuten, dass die derzeitige magnetische Umgebung um den Stern besonders günstig für die Entwicklung von komplexem Leben sein könnte.

Sterne wie unsere Sonne entstehen mit hoher Eigenrotation, was ein starkes Magnetfeld verursacht, das heftig ausbrechen und ihre Planetensysteme mit geladenen Teilchen und schädlicher Strahlung bombardieren kann. Im Laufe von Jahrmilliarden verlangsamt sich die Rotation des Sterns allmählich, wenn sein Magnetfeld durch einen von seiner Oberfläche ausgehenden Wind schwächer wird – ein Prozess, der als magnetische Bremsung bezeichnet wird. Die langsamere Rotation erzeugt ein schwächeres Magnetfeld, und beide Eigenschaften nehmen gemeinsam ab, wobei sie sich gegenseitig bedingen. Bis vor kurzem ging die Astronomie davon aus, dass diese magnetische Bremsung unbegrenzt anhält, aber neue Beobachtungen haben begonnen, diese Annahme in Frage zu stellen.

„Wir müssen die Bücher dahingehend neu schreiben, wie sich Rotation und Magnetismus in älteren Sternen wie der Sonne nach der Mitte ihrer Lebenszeit verändern“, sagt Teamleiter Travis Metcalfe, ein leitender Wissenschaftler der White Dwarf Research Corporation in Golden, Colorado, USA. „Unsere Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen für Sterne mit Planetensystemen und deren Aussichten auf die Entwicklung fortgeschrittener Zivilisationen.“ Klaus Strassmeier, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP) und Mitautor der Studie fügt hinzu: „Das liegt daran, dass eine geschwächte magnetische Bremsung stellare Winde drosselt und verheerende, eruptive Ereignisse damit weniger wahrscheinlich macht.“

Das Team aus den Vereinigten Staaten und Europa kombinierte Beobachtungen von 51 Pegasi vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA mit hochmodernen Messungen seines Magnetfeldes durch das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona. Obwohl der Exoplanet, der 51 Pegasi umkreist, von der Erde aus gesehen nicht vor seinem Mutterstern vorbeizieht, zeigt der Stern selbst in den TESS-Beobachtungen subtile Helligkeitsschwankungen, die zur Messung des Radius, der Masse und des Alters des Sterns verwendet werden können – eine Technik, die als Asteroseismologie bekannt ist. Unterdessen bewirkt das Magnetfeld des Sterns im Sternenlicht eine kleine Polarisation, sodass PEPSI am LBT eine magnetische Karte der Sternoberfläche erstellen kann, während sich der Stern dreht – eine Technik genannt Zeeman-Doppler-Bildgebung. Mit diesen Messungen konnte das Team die aktuelle magnetische Umgebung des Sterns bewerten.

Frühere Beobachtungen des NASA-Weltraumteleskops Kepler deuteten bereits darauf hin, dass die magnetische Abbremsung jenseits des Sonnenalters deutlich schwächer werden könnte, wodurch die enge Beziehung zwischen Rotation und Magnetismus bei älteren Sternen aufgehoben würde. Die Beweise für diese Veränderung waren jedoch indirekt und beruhten auf Messungen der Rotationsrate von Sternen mit einer großen Altersspanne. Es war klar, dass die Rotation irgendwann in der Nähe des Alters der Sonne (4,5 Milliarden Jahre) aufhörte, sich zu verlangsamen und dass eine geschwächte magnetische Bremsung in älteren Sternen dieses Verhalten reproduzieren könnte. Allerdings können nur direkte Messungen des Magnetfelds eines Sterns die zugrundeliegenden Ursachen ermitteln und die von Kepler beobachteten Objekte waren zu schwach für LBT-Beobachtungen. Die TESS-Mission begann 2018 mit der Sammlung von Messungen – ähnlich wie bei Kepler, jedoch für die nächstgelegenen und hellsten Sterne am Himmel, darunter 51 Pegasi.

In den letzten Jahren hat das Team begonnen, mit PEPSI am LBT die Magnetfelder mehrerer TESS-Ziele zu messen und so nach und nach ein neues Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich der Magnetismus in Sternen wie der Sonne verändert, wenn sie älter werden. Die Beobachtungen ergaben, dass sich die magnetische Bremswirkung bei Sternen, die etwas jünger als die Sonne sind, plötzlich ändert. Zu diesem Zeitpunkt wird sie mehr als zehnmal schwächer und nimmt mit zunehmendem Alter der Sterne weiter ab. Das Team führt diese Veränderungen auf eine unerwartete Verschiebung der Stärke und Komplexität des Magnetfelds sowie den Einfluss dieser Verschiebung auf den Sternwind zurück. Die neu gemessenen Eigenschaften von 51 Pegasi zeigen, dass er – genau wie unsere eigene Sonne – diesen Übergang zu einer geschwächten magnetischen Bremsung bereits durchlaufen hat.

„Es ist sehr erfreulich, dass das LBT und PEPSI eine neue Perspektive auf dieses Planetensystem aufzeigen konnten, das eine so zentrale Rolle in der Exoplanetenastronomie spielte“, sagt Klaus Strassmeier, leitender Forscher des PEPSI-Spektrographen. „Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt auf der Suche nach Leben in unserer Galaxie“.

In unserem eigenen Sonnensystem fand der Übergang des Lebens von den Ozeanen auf das Land vor mehreren hundert Millionen Jahren statt und fiel mit dem Zeitpunkt zusammen, an dem die magnetische Bremswirkung der Sonne nachließ. Junge Sterne bombardieren ihre Planeten mit Strahlung und geladenen Teilchen, die der Entwicklung von komplexem Leben entgegenstehen. Ältere Sterne scheinen jedoch ein stabileres Umfeld zu bieten. Travis Metcalfe zufolge deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass die besten Orte für die Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems auf Planeten um Sterne mittleren und höheren Alters liegen könnten.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Weitere Informationen
Weakened Magnetic Braking in the Exoplanet Host Star 51 Peg
Travis S. Metcalfe, Klaus G. Strassmeier, Ilya V. Ilyin, Derek Buzasi, Oleg Kochukhov, Thomas R. Ayres, Sarbani Basu, Ashley Chontos, Adam J. Finley, Victor See, Keivan G. Stassun, Jennifer L. van Saders, Aldo G. Sepulveda, and George R. Ricker
The Astrophysical Journal Letters, Vol. 960, Issue 1, p. L6
DOI: 10.3847/2041-8213/ad0a95
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0a95
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0a95/pdf

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• Exoplaneten
• Sternentwicklung

Der Beitrag Suche nach Leben: alte Sterne im Fokus neuer Studie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Thomas Geuking, Quellen: ISRO (Indian Space ResearchOrganisation)

Mit der weichen Landung auf dem Mond des Landers „Vikram“ und dem erfolgreichen Betrieb des Rovers „Pragyan“ hatte die Mission Chandrayaan – 3 eigentlich schon alle Ziele der indischen Raumfahrtagentur ISRO erfüllt. Für das Antriebsmodul, dass die Chandrayaan-3 Mission bis auf 100 km zum Mond brachte war die Mission aber noch nicht zu Ende.

Kurz vor der Landung, am 17. August 2023 trennte sich der Lander vom Antriebs-Modul und dieses blieb mit noch rund 100 kg Treibstoff im Mondorbit zurück. Es wäre nach einiger Zeit auf die Mondoberfläche gestürzt und dabei wahrscheinlich explodiert. Dies wollte die indische Raumfahrtagentur verhindern und zündete daher die Triebwerke erneut für eine Rückkehr Richtung Erde.

Das erste Manöver wurde am 9. Oktober 2023 durchgeführt, um die Höhe der Umlaufbahn von 150 km auf 5112 km zu erhöhen und damit die Umlaufzeit von 2,1 Stunden auf 7,2 Stunden zu verlängern. Das Trans-Earth-Injection (TEI)-Manöver zum verlassen der Mondumlaufbahn wurde am 13. Oktober 2023 durchgeführt. Im Anschluss an dieses Manöver flog das Antriebsmodul vier Mal am Mond vorbei, bevor es am 10. November die Mondumlaufbahn verließ. Seit dem 22 November 2023 befindet es sich wieder in einem Orbit um die Erde. Die Umlaufzeit beträgt fast 13 Tage bei einer Neigung von 27 Grad. Die Flugbahn wurde so gewählt, dass eine Erdbeobachtung mit der SHAPE-Nutzlast (Spectro-polarimetry of HAbitable Planet Earth) des Antriebsmoduls fortgesetzt werden kann, wenn die Erde im Blickfeld ist, ohne Satelliten in der geostationäre Umlaufbahn, oder darunter zu gefährden (siehe Grafik). Die Daten der SHAPE-Nutzlast sollen einmal bei der künftigen Erforschung von Exoplaneten, insbesondere der Suche nach erdähnlichen Exoplaneten, helfen und nun aus einer Erdumlaufbahn fortgeführt werden.

Zusammenfassung der Ziele mit der Rückkehr des Antriebsmoduls in die Erdumlaufbahn im Hinblick auf zukünftige Missionen:

1. Planung und Durchführung von Manövern für die Rückkehr vom Mond zur Erde, inklusive der Entwicklung der dafür notwendigen Software.

2. Durchführung von Fly-bye Manövern am Mond.

3. Verhinderung eines Absturzes auf dem Mond und dem dabei entstehenden Trümmerfeldes.

Auch hier wurden alle gesteckten Ziele erreicht.

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• Chandrayaan 3 auf LVM3-M4

Der Beitrag Chandrayaan-3 Missions-Update erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Wien 15. November 2023.

Wien, 15. November 2023 – Ein Team europäischer Astronom*innen hat unter Mitwirkung von Forscher*innen der Universität Wien die Atmosphäre des nahen Exoplaneten WASP-107b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersucht. Ein Exoplanet ist ein Planet, der einen anderen Stern als unsere Sonne umkreist. Beim tiefen Blick in die flauschige Atmosphäre von WASP-107b entdeckten sie nicht nur Wasserdampf und Schwefeldioxid, sondern sogar Silikatsandwolken. Diese Entdeckung stellt einen bedeutenden Meilenstein in der Erforschung von Exoplaneten dar, da sie das komplizierte Zusammenspiel von Chemikalien und klimatischen Bedingungen auf diesen fernen Welten offenbart. Außerdem: Zum ersten Mal konnten Astronom*innen die Zusammensetzung von Wolken auf einem Exoplaneten definitiv bestimmen. Die Ergebnisse der Studie sind heute in der renommierten Fachzeitschrift Nature erschienen.

Astronom*innen auf der ganzen Welt nutzen die fortschrittlichen Möglichkeiten des Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST), um bahnbrechende Beobachtungen von Exoplaneten durchzuführen. Manuel Güdel, Astrophysiker der Universität Wien, ist einer der Entwickler von MIRI. Auch sein Doktorand Gwenaël van Looveren ist einer der Mitautoren der neuen Studie. „JWST revolutioniert die Charakterisierung von Exoplaneten und liefert in bemerkenswerter Geschwindigkeit noch nie dagewesene Erkenntnisse“, so Güdel, ein Co-Principal Investigator des MIRI-Instruments. Eine der faszinierenden Welten, die so untersucht werden können, ist WASP-107b, ein einzigartiger gasförmiger Exoplanet, der einen Stern umkreist, der etwas kühler und weniger massiv ist als unsere Sonne. Der Planet hat eine ähnliche Masse wie Neptun, ist aber viel größer als dieser und erreicht fast die Größe des Jupiters. Diese Eigenschaft macht WASP-107b im Vergleich zu den Gasriesenplaneten in unserem Sonnensystem eher „flauschig“.

Die Flauschigkeit dieses Exoplaneten ermöglicht es den Astronom*innen, etwa 50 Mal tiefer in seine Atmosphäre zu blicken, als dies bei einem Riesen des Sonnensystems wie Jupiter möglich ist. Diese Gelegenheit eröffnete ein Fenster zur Entschlüsselung der komplexen chemischen Zusammensetzung seiner Atmosphäre. Der Grund dafür ist ganz einfach: Die Signale oder spektralen Merkmale sind in einer weniger dichten Atmosphäre viel ausgeprägter als in einer kompakteren Atmosphäre. In der nun als „Fast Track“ in Nature veröffentlichte Studie konnte das Team Wasserdampf, Schwefeldioxid (SO₂) und Silikatwolken nachweisen. Bemerkenswert ist, dass dabei aber keine Spur des Treibhausgases Methan (CH₄) nachweisen konnten. Diese Entdeckungen liefern entscheidende Einblicke in die Dynamik und Chemie dieses faszinierenden Exoplaneten.

Manuel Güdel von der Universität Wien erklärt: „Erstens deutet das Fehlen von Methan auf ein möglicherweise warmes Inneres hin und bietet einen spannenden Einblick in die Bewegung von Wärmeenergie in der Atmosphäre des Planeten. Zweitens war die Entdeckung von Schwefeldioxid (bekannt durch den Geruch von verbrannten Streichhölzern) eine große Überraschung.“ Frühere Modelle hatten dessen Abwesenheit vorhergesagt, aber neuartige Klimamodelle der Atmosphäre von WASP-107b zeigen nun, dass gerade die Flauschigkeit von WASP-107b die Bildung von Schwefeldioxid in seiner Atmosphäre begünstigt. Obwohl sein Wirtsstern aufgrund seiner kühleren Natur nur einen relativ geringen Anteil an hochenergetischen Photonen aussendet, können diese Photonen dank seiner flauschigen Beschaffenheit tief in die Atmosphäre des Planeten eindringen. Dadurch werden die chemischen Reaktionen ermöglicht, die für die Bildung von Schwefeldioxid erforderlich sind.

Wolken aus Sand, Wasser und Schwefeldioxid entdeckt
Eine weitere Entdeckung der neuen Studie: Wolken in großer Höhe verdecken teilweise den Wasserdampf und das Schwefeldioxid in der Atmosphäre. Während Wolken auf anderen Exoplaneten bereits vermutet wurden, ist den Astronom*innen in diesem Fall zum ersten Mal gelungen, die chemische Zusammensetzung dieser Wolken definitiv zu bestimmen. Die Wolken von WASP-107b bestehen demnach aus kleinen Silikatpartikeln, einer dem Menschen vertrauten Substanz, die in vielen Teilen der Welt als Hauptbestandteil von Sand vorkommt.

„Die Entdeckung von Wolken aus Sand, Wasser und Schwefeldioxid auf diesem flauschigen Exoplaneten durch das MIRI-Instrument von JWST ist ein entscheidender Meilenstein. Sie verändert unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Planeten und wirft ein neues Licht auf unser eigenes Sonnensystem“, sagt Güdel.

Im Gegensatz zur Erdatmosphäre, in der Wasser bei niedrigen Temperaturen gefriert, können bei Gasplaneten mit Temperaturen um 1000 Grad Celsius Silikatpartikel ausfrieren und Wolken bilden. Im Fall von WASP-107b mit einer Temperatur von rund 500 Grad Celsius in der äußeren Atmosphäre sollten sich diese Silikatwolken nach herkömmlichen Modellen jedoch tiefer in der Atmosphäre bilden, wo die Temperaturen wesentlich höher sind. Außerdem regnen Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre ab. Wie ist es dann möglich, dass diese Sandwolken in großen Höhen existieren und fortbestehen?

Michiel Min, Hauptautor der Studie, vom SRON Netherlands Institute for Space Research erklärt: „Die Tatsache, dass wir diese Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre sehen, muss bedeuten, dass die Sandregentropfen in tieferen, sehr heißen Schichten verdampfen und der dabei entstehende Silikatdampf effizient wieder nach oben transportiert wird, wo er sich erneut zu Silikatwolken verdichtet. Dies ist dem Wasserdampf- und Wolkenzyklus auf unserer Erde sehr ähnlich, allerdings mit Tröpfchen aus Sand.“ Dieser kontinuierliche Zyklus von Sublimation und Kondensation durch vertikalen Transport ist verantwortlich für die dauerhafte Präsenz von Sandwolken in der Atmosphäre von WASP-107b.

Über die Studie
„Diese Studie vereint die Ergebnisse mehrerer unabhängiger Analysen der JWST-Beobachtungen und spiegelt die jahrelange Arbeit wieder, die nicht nur in den Bau des MIRI-Instruments, sondern auch in die Kalibrierung und die Analysewerkzeuge für die mit MIRI gewonnenen Beobachtungsdaten investiert wurde“, sagt Jeroen Bouwman vom Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland.

Diese Beobachtungen wurden im Rahmen des Programms 1280 für garantierte Zeitbeobachtungen durchgeführt. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht: ‚SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune‘, von Dyrek, Min, Decin et al, 2023, Nature
DOI 10.1038/s41586-023-06849-0
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06849-0

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit bedeutendste Observatorium für Weltraumforschung. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt zu fernen Welten um andere Sterne und erforscht die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Kanadischen Weltraumorganisation.

Das europäische Konsortiumsteam besteht aus 46 Astronom*innen von 29 Forschungseinrichtungen aus 12 Ländern. Von der Universität Wien gehören Manuel Güdel, Nicole Pawellek und die Doktoranden Gwenaël van Looveren und Rodrigo Guadarrama zum Team. „Gemeinsam mit Kollegen aus Europa und den Vereinigten Staaten haben wir das MIRI-Instrument seit fast 20 Jahren gebaut und getestet. Es ist lohnend zu sehen, wie unser Instrument die Atmosphäre dieses faszinierenden Exoplaneten entschlüsselt“, sagt der Instrumentenspezialist Bart Vandenbussche von der KU Leuven.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 19. Juni 2023.

19. Juni 2023 – Eine vom MPIA geleitete Forschungsgruppe suchte mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer Atmosphäre des Gesteinsplaneten TRAPPIST-1 c. Obwohl der Planet fast die gleiche Größe und Einstrahlung wie die Venus hat, erweist sich seine Atmosphäre als höchst verschieden. Aus der Analyse der vom Planeten abgestrahlten Wärme schließen die Forschenden, dass er allenfalls eine dünne Atmosphäre mit minimalem Kohlendioxidgehalt aufweist. Die Messungen stimmen jedoch auch mit blankem Gestein ohne eine nennenswerte Atmosphäre überein. Diese Studie trägt zum Verständnis bei, wie Gesteinsplaneten bei massearmen Sternen den starken Sternwinden und intensiver UV-Strahlung standhalten können.

„Das nahegelegene Planetensystem TRAPPIST-1 ist derzeit der beste Kandidat, um die Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten zu untersuchen, die einen roten Zwergstern umkreisen“, sagt Sebastian Zieba, Student am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. Er ist der Erstautor des Forschungsartikels mit den Ergebnissen zu TRAPPIST-1 c, der in der Zeitschrift Nature erscheint. TRAPPIST-1 ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und beherbergt sieben erdgroße Gesteinsplaneten, von denen sich bis zu drei in der lebensfreundlichen Zone befinden. Das bedeutet, dass die Strahlung des Zentralsterns genug Wärme erzeugt, um Wasser in flüssiger Form zu ermöglichen. TRAPPIST-1 c, den das Team mit dem Weltraumteleskop James Webb (JWST) beobachtet hat, gehört allerdings nicht zu diesen Planeten. Stattdessen vermuteten Astronomen, dass es sich um einen Zwilling der Venus handelt.

Massearme Sterne können Planetenatmosphären zerstören
Obwohl sie auf der Oberfläche vergleichsweise kühl sind, weisen viele dieser Sterne über einen längeren Zeitraum hinweg starke Sternwinde und intensive UV-Strahlung auf, die die Atmosphären ihrer Planeten beschädigen und abtragen können. „Wir wollten herausfinden, ob TRAPPIST-1 c diesem Schicksal entgangen ist und eine substantielle Atmosphäre bewahrt haben könnte und vielleicht sogar dem Planeten Venus im Sonnensystem ähnlich ist“, erklärt Zieba. Zumindest sollte die Anziehungskraft an der Oberfläche, die 10 % höher ist als die der Erde, zum Erhalt seiner Atmosphäre beitragen. Wie bei der Venus entsprechen Durchmesser und Masse von TRAPPIST-1 c fast den Werten der Erde. Die Einstrahlung, die der Planet von seinem Zentralstern erfährt, ist fast identisch mit der der Venus.

Die Aufgabe, die Atmosphären von erdgroßen Gesteinsplaneten zu erforschen, ist jedoch selbst für das JWST eine Herausforderung. Daher kombinierte das Team seine Beobachtungen mit Modellberechnungen, um den wahrscheinlichsten Bereich der atmosphärischen Eigenschaften zu ermitteln, der mit den Daten vereinbar ist. Die Ausdehnung, der Druck und die Zusammensetzung einer Atmosphäre bestimmen die Temperatur eines Planeten in Abhängigkeit von dem Licht, das er von seinem Stern empfängt. Umgekehrt bestimmt die Temperatur, wie viel Infrarotlicht der Planet aussendet. Auf diese Weise geben Infrarotmessungen in Kombination mit Modellrechnungen Aufschluss über die Atmosphäre und ihre Zusammensetzung.

TRAPPIST-1 c ist nicht mit der Venus vergleichbar
„Wir können eine dicke und Venus-ähnliche Atmosphäre definitiv ausschließen“, sagt Laura Kreidberg, die leitende Wissenschaftlerin des JWST-Beobachtungsprogramms, Mitautorin und Direktorin am MPIA ist. Sie leitet die Abteilung für Atmosphärenphysik von Exoplaneten (APEx). Entgegen den Erwartungen der Astronomen und Astronominnen erreichen die Temperaturen „nur“ 110 Grad Celsius (380 Kelvin) und sind damit bis zu 390 Grad niedriger als auf der Venus. Das Infrarotlicht, das TRAPPIST-1 c aussendet, passt daher nicht zu einer Venusatmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen starken Treibhauseffekt verursacht.

Tatsächlich sind die Daten unvereinbar mit jeder Art von dicker Atmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen Luftdruck aufweist, der mehr als zehnmal so hoch ist wie auf der Erde. Während die Ergebnisse zu TRAPPIST-1 b vom Anfang des Jahres zeigen, dass er dem Merkur ähnlich ist und keine Atmosphäre besitzt, lehrt uns TRAPPIST-1 c, dass dieses Planetensystem kein Abbild des Sonnensystems ist.

TRAPPIST-1 c hat möglicherweise eine dünne Atmosphäre
Besitzt TRAPPIST-1 c zumindest eine dünne Gashülle? Um dieser Frage nachzugehen, berechneten die Wissenschaftler die statistische Wahrscheinlichkeit einer Reihe von atmosphärischen Kenngrößen, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Das Atmosphärenmodell umfasste eine Reihe von Oberflächendrücken und Mischungen aus einer von Sauerstoff (O₂) dominierten Atmosphäre mit unterschiedlichen Spuren von Kohlendioxid (CO₂).

„Wir gehen davon aus, dass heiße Gesteinsplaneten, die massearme Sterne umkreisen, einen hohen Anteil an Sauerstoff und etwas Kohlendioxid aufweisen“, erklärt Zieba. Planeten wie TRAPPIST-1 c sollten schon früh eine Atmosphäre besitzen, die Kohlendioxid und Wasserdampf enthält. Mit der Zeit spaltet die Sternstrahlung das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Während der leicht flüchtige Wasserstoff allmählich in den freien Raum entweicht, bleiben die schwereren Sauerstoffmoleküle zurück, was zu einer sauerstoffreichen Atmosphäre mit Spuren von Kohlendioxid führt.

Wie sich für TRAPPIST-1 c herausstellt, ist eine breite Palette von Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemischen und einem Luftdruck zwischen 1 % und 100 % des Werts auf Meeresspiegelhöhe auf der Erde möglich. Dieses Ergebnis gibt Anlass zur Hoffnung, dass TRAPPIST-1 c und andere ausreichend schwere Gesteinsplaneten um kühle, massearme Sterne eine Atmosphäre über einen beträchtlichen Teil der Lebenszeit des Sterns aufrechterhalten können. Der Stern TRAPPIST-1 ist mindestens so alt wie die Sonne.

Dennoch müssen diese Ergebnisse mit zusätzlichen Daten überprüft werden. „Die Beobachtung dünner Atmosphären von Gesteinsplaneten bringt JWST an seine Grenzen“, räumt Kreidberg ein. Die gemessenen Signale sind schwach, und viele Eigenschaften sind noch unbekannt, was die Bewertung der Messungen unsicher macht. Im Fall von TRAPPIST-1 c sind die Atmosphärenmodelle nicht die einzigen, die mit den Daten übereinstimmen. Stattdessen erklärt blankes Gestein mit einer verwitterten Oberfläche die Beobachtungen ebenso gut.

Beobachtungen sind selbst für JWST eine Herausforderung
JWST ist zweifellos das leistungsstärkste Weltraumobservatorium aller Zeiten. Dennoch ist es schwierig, die Wärmesignatur eines mäßig warmen und kleinen Gesteinsplaneten mit Hinweisen auf eine umgebenden Atmosphäre zu erfassen.

TRAPPIST-1 c weist seinem Zentralstern immer dieselbe Seite zu, was zu zwei unterschiedlichen Halbkugeln mit konstantem Tag und ewiger Nacht führt. Seine Rotation ist an seine Bahn um den Stern gebunden. Daher dauern sowohl ein Tag als auch ein Jahr auf TRAPPIST-1 c etwa 2,42 Erdtage. Darüber hinaus ist seine Umlaufbahn so ausgerichtet, dass er aus unserer Perspektive immer wieder vor seinem Stern vorbeizieht.

Nach einer weiteren halben Umdrehung verdeckt der Stern TRAPPIST-1 den Planeten vollständig und verbirgt ihn für etwa eine halbe Stunde vor unseren Teleskopen. Doch kurz vor und nach der Bedeckung weist der Planet den Astronomen seine voll erleuchtete und heiße Tagesseite zu. Auf dieses Signal hatte es das Team abgesehen. Natürlich ist jeder Hinweis auf eine dünne Atmosphäre darin winzig.

Die nächsten Schritte
Weitere JWST-Beobachtungen sind erforderlich, um zwischen einem bloßen Gesteinsplaneten und einer dünnen Atmosphäre zu unterscheiden. So könnten Signaturen dabei helfen, die entstehen, wenn der Planet uns seine Nachtseite zuwendet. Dann prägt der schmale Atmosphärenkranz um den Planetenkörper dem durchscheinenden Sternlicht Signale auf, die Aufschluss über die Zusammensetzung geben können.

Eine andere Möglichkeit wäre eine ähnliche Beobachtung mit dem Extremely Large Telescope (ELT), ein 39-Meter-Teleskop in der chilenischen Atacama-Wüste, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll. Es handelt sich dabei um die neueste und größte Ergänzung des Teleskoparsenals der Europäischen Südsternwarte (ESO). Die überragende Empfindlichkeit des ELT könnte für den entscheidenden Hinweis sorgen.

Sollten Astronomen eine Atmosphäre um TRAPPIST-1 c bestätigen, wäre das ein ermutigendes Zeichen dafür, dass Atmosphären den extremen Einfluss roter Zwergsterne doch überstehen können.

Hintergrundinformationen
Der Forschungsartikel „No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c“ von Sebastian Zieba et al. ist zur Veröffentlichung in Nature am 19. Juni 2023 um 17:00 Uhr (MESZ), 11:00 Uhr (US Eastern Time) vorgesehen. Die Sperrfrist endet zu diesem Zeitpunkt. Eine Kopie des akzeptierten Artikels ist hier erhältlich.

Die DOI-Nummer lautet 10.1038/s41586-023-06232-z. Sobald der Artikel online veröffentlicht ist, wird er unter der folgenden URL verfügbar sein: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z.

Das an der Studie beteiligte MPIA-Forschungsteam besteht aus Sebastian Zieba (ebenfalls Observatorium Leiden, Niederlande), Laura Kreidberg und Lorena Acuña (ebenfalls Universität Aix-Marseille, Frankreich).

Die Astronomen und Astronominnen beobachteten TRAPPIST-1 c im Rahmen des JWST General Observer (GO) Programms 2304, Hot Take on a Cool World: Does TRAPPIST-1c Have an Atmosphere? (PI: Laura Kreidberg).

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das weltweit führende Observatorium zur Erforschung des Weltraums. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Das Mid-InfraRed Instrument (MIRI) des JWST, das von einem europäischen Konsortium von Forschungseinrichtungen gebaut wurde, ist ein wissenschaftliches Mehrzweckinstrument für Infrarot-Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern. Es kombiniert eine Bildkamera mit einem Spektrographen. Mit der Unterstützung von industriellen Partnern lieferte das MPIA die Mechanismen aller Elemente zur Ansteuerung des Wellenlängenbereichs, wie z.B. Filter- und Gitterräder, und leitete das elektrische Design von MIRI.

Die folgenden Forschungsinstitute sind an dieser Studie beteiligt:
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Leiden Observatory, Universität Leiden, Niederlande; Université Paris-Saclay, Université Paris-Cité, CEA, CNRS, AIM, Frankreich; Universität Lüttich, Belgien; Universität Texas in Austin, USA; Stanford University, USA; Boston University, USA; Peking University, Beijing, Volksrepublik China; Aix-Marseille Université, CNRS, CNES, Institut Origines, LAM, Marseille, Frankreich; University of Washington, USA; NASA Nexus for Exoplanet System Science, University of Washington, Seattle, USA; Arizona State University, Tempe, USA; Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Université Bordeaux, CNRS, Pessac, Frankreich; Observatoire astronomique de l’Université de Genève, Versoix, Schweiz; Centre Vie dans l’Univers, Université de Genève, Genf, Schweiz; NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA

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• Exoplaneten

Der Beitrag MPIA: Hat der Gesteins-Exoplanet TRAPPIST-1 c eine Atmosphäre? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 10. Mai 2023.

10. Mai 2023 – Einem internationalen Forschungsteam, an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie beteiligt ist, ist es nach fast 15 Jahren vergeblicher Anstrengungen gelungen, einige Eigenschaften der Atmosphäre des Exoplaneten GJ 1214 b zu ermitteln. Dazu haben die Astronominnen und Astronomen mit dem MIRI-Spektrografen des Weltraumteleskops James Webb (JWST) jetzt die Infrarotstrahlung des als Mini-Neptun klassifizierten Planeten ausgemessen und mithilfe von Modellrechnungen ausgewertet. Die Ergebnisse deuten auf einen ungewöhnlich stark reflektierenden, dichten Dunstschleier in der Hochatmosphäre hin und zeigen Hinweise auf Wasserdampf und Methan.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Dunstschicht von GJ 1214 b anders zusammengesetzt sein muss, als wir es von den uns bekannten Himmelskörpern kennen“, sagt Maria Steinrück vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. Sie ist eine Koautorin des Artikels, der in der Zeitschrift Nature erscheint und hat die Modellrechnungen durchgeführt, die für die Bewertung der Beobachtungen essentiell sind.

Ein dichter, stark reflektierender Schleier
Die Daten sind nur dadurch zu erklären, indem die Forschenden eine Schicht in der oberen Atmosphäre des Planeten annehmen, die die Strahlung des zentralen Sterns, den GJ 1214 b in 38 Stunden einmal umkreist, ungewöhnlich stark reflektiert. Woraus diese Schicht jedoch besteht, bleibt nach wie vor ein Geheimnis, da keine der bisher vermuteten Zusammensetzungen eine zufriedenstellende Erklärung liefert. Die gängigen Kandidaten scheiden jedenfalls aus.

„Weder Rußteilchen noch sogenannte Tholine reflektieren die Strahlung des Sterns ausreichend stark“, stellt Steinrück fest. Der Begriff „Tholine“ wurde von Carl Sagan geprägt, und beschreibt eine variable Mischung aus Kohlenwasserstoffen, die auf dem Saturnmond Titan und anderen Körpern des Sonnensystems zu finden ist. Vermutlich bestand die Atmosphäre der Ur-Erde ebenfalls zum Teil aus Tholinen.

Ähnlich wie auf der Erde die Ozonschicht mit der UV-Strahlung der Sonne reagiert, könnten vergleichbare Prozesse auch für die Produktion der chemischen Verbindungen des Dunstes verantwortlich sein, die in der Hochatmosphäre von GJ 1214 b und vielleicht vieler Mini-Neptune zu finden sind. Derzeit wird in verschiedenen Laboren intensiv danach geforscht, welche Stoffe das sein könnten. Organische Verbindungen sind derzeit die heißesten Kandidaten.

Hinweise auf Wasser
Erstmals belegen nun die neuen Beobachtungen mit MIRI (Mid-Infrared Instrument) am JWST auch, dass die Atmosphäre jenseits von Wasserstoff und Helium einen hohen Anteil an schweren Elementen haben muss. Das folgt aus den Modellrechnungen, die die gemessene Helligkeitsvariation des vom Planeten veränderten Sternlichts nachempfinden.

Die Astronominnen und Astronomen haben mit ihrer Beobachtung einen vollständigen Umlauf von GJ 1214 b erfasst und somit seine Oberfläche von allen Seiten vermessen – das erste Mal bei einem Mini-Neptun. Das Licht, das GJ 1214 b von seinem Zentralstern empfängt dient dabei als eine Art Sonde. Etwaige Einflüsse des Planeten auf das Sternlicht zeigen sich dann in schwankenden Anteilen der Strahlung des Planeten.

Einen Hinweis auf die konkrete Zusammensetzung der Atmosphäre bieten die Messdaten auch. Wie bereits vermutet, besitzt dieser Planet wahrscheinlich Wasser, das als gasförmiger Dampf auftritt. „GJ 1214 b könnte daher eine Wasserwelt sein“, sagt Eliza Kempton, Professorin an der University of Maryland, USA und Erstautorin des Forschungsartikels. Allerdings könnten die Merkmale auch auf Methangas hindeuten. Eine Mischung aus beiden ist ebenfalls denkbar. Zur Klärung sind daher weitere Beobachtungen nötig.

Ein Planet mit ewigem Tag und ewiger Nacht
Im Jahre 2009 haben Astronomen den knapp 50 Lichtjahre entfernten GJ 1214 b durch die Transitmethode entdeckt. Dabei ist die Bahn des Planeten so orientiert, dass er regelmäßig seinen Zentralstern kreuzt und durch die Bedeckung die Sternhelligkeit geringfügig verringert. Aus diesen Messungen ließ sich seine Größe von etwa drei Erddurchmessern errechnen. Seine Masse beträgt etwa sieben Erdmassen. Das klassifiziert GJ 1214 b eindeutig als einen Mini-Neptun.

Diese Art von Exoplaneten ist die häufigste, die Astronomen finden. Im Sonnensystem gibt es solche Planeten jedoch nicht. Das ist ein Grund dafür, dass ihre Beschaffenheit kaum bekannt ist.

GJ 1214 b umkreist seinen Zentralstern GJ 1214 in einer Entfernung, die etwa einem Siebzigstel der Distanz zwischen der Erde und der Sonne entspricht. Damit befindet sich der Planet in einer sogenannten gebundenen Rotation. Das bedeutet, dass eine Umkreisung genauso lange dauert wie eine Rotation um die eigene Achse. Deswegen beleuchtet und heizt der Zentralstern immer dieselbe Seite des Planeten. Winde tragen die Luftschichten auf die gegenüberliegende Hemisphäre, wo sie in ewiger Nacht abkühlen.

Wie beim globalen Erdklima hängt auch hier die Temperatur auf GJ 1214 b von verschiedenen Einflüssen ab: die Leuchtkraft und die Temperatur des Sterns, der Abstand des Planeten vom Stern und die Eigenschaften der Atmosphäre. Daraus ergibt sich eine charakteristische Wärmestrahlung des Planeten, welche die Forschenden mit den MIRI-Beobachtungen aufnahmen. Diese bestehen aus Spektren, welche die verschiedenen Anteile der Infrarotstrahlung entsprechend ihrer Wellenlänge aufspalten.

Daraus schließen die Astronominnen und Astronomen, dass die Hälfte der Einstrahlung durch den Zentralstern von der Dunstschicht reflektiert wird und zur Erwärmung der Atmosphäre nicht beiträgt. Die Berechnungen ergeben somit, dass GJ 1214 b eine mittlere, globale Temperatur von etwa 230 Grad Celsius (500 Kelvin) besitzt, die zwischen Tag und Nacht um etwa 115 Grad variiert.

Durchbruch in der Planetenforschung
Mehrfach haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bisher versucht, die Zusammensetzung der Atmosphäre von GJ 1214 b zu bestimmen, indem sie das Sternlicht analysierten, das bei jeder Bedeckung dessen Luftschichten durchdringt. Dabei prägen sich gewöhnlich eindeutige Merkmale der Gase auf das Licht auf. Die bisherigen Beobachtungen zeigten jedoch nichts. Das JWST hat nun ein neues Kapitel aufgeschlagen.

„GJ 1214b war der weiße Wal der Bestimmung von Exoplanetenatmosphären. Die gesamte Forschungsgemeinschaft war lange Zeit hinter ihm her. Es ist wunderbar, dass endlich einige seiner Geheimnisse gelüftet werden“, freut sich Laura Kreidberg. Sie ist Direktorin am MPIA und leitet die Abteilung „Atmosphärenphysik der Exoplaneten (APEx)“, in der Maria Steinrück forscht. Kreidberg war eine der ersten, die GJ 1214 b ins Visier nahm um seine Zusammensetzung zu bestimmen.

Diese Ergebnisse stellen einen Durchbruch in der Planetenforschung dar. Sie steigern die Hoffnung, dass nun ein Werkzeug gefunden wurde, mit dem die häufigste Klasse von Exoplaneten systematisch untersucht werden kann.

Hintergrundinformationen
Die an der Studie beteiligten Forschenden des MPIA sind Maria Steinrück und Sebastian Zieba.

Die Astronominnen und Astronomen beobachteten GJ 1214 b im Rahmen des JWST General Observer (GO) Program 1803, „Unlocking the Mysteries of the Archetype Sub-Neptune GJ 1214b with a Full-Orbit Phase Curve“ (PI: Jacob Bean).

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern, der ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Das Mid-InfraRed Instrument (MIRI) des JWST, das von einem europäischen Konsortium von Forschungseinrichtungen gebaut wurde, ist ein wissenschaftliches Mehrzweckinstrument für Infrarot-Wellenlängen zwischen 5 und 28 Mikrometern. Es kombiniert eine bildgebende Kamera mit einem Spektrografen. Mit der Unterstützung von industriellen Partnern lieferte das MPIA die Mechanismen aller Elemente zur Steuerung der Wellenlängenbereiche, wie z.B. Filter- und Gitterräder, und leitete das elektrische Design von MIRI.

Folgende Forschungsinstitute sind an dieser Studie beteiligt:
University of Maryland, College Park, USA; University of Chicago, USA; Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science, Washington, DC, USA; University of Oxford, UK; University of Michigan, USA; University of Leicester, UK; BAER Institute, NASA Ames Research Center, Moffet Field, USA; Institut Trottier de Recherche sur les Exoplanètes und Département de Physique, Université de Montréal, Kanada; Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA; Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, Laurel, USA; Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA; European Space Agency, Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA; Leiden Observatory, The Netherlands; AIM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Université de Paris, Gif-surYvette, France; Vanderbilt University, Nashville, USA; Center of Excellence in Information Systems, Tennessee State University, Nashville, USA; Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, Tucson, USA; Eureka Scientific, Inc., Oakland, USA; NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Johns Hopkins University, Baltimore, USA; School of Earth & Space Exploration, Arizona State University, Tempe, USA; University of California, Santa Cruz, USA.

Originalveröffentlichung
Eliza M.-R. Kempton et al. (incl. Maria E. Steinrueck, Sebastian Zieba)
A reflective, metal-rich atmosphere for GJ 1214 b from its JWST phase curve
Nature (2023), DOI: dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06159-5.
Preprint: https://www.mpg.de/20286388/mpia-pm_gj1214b_steinrueck_2023_preprint.pdf.

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• Exoplaneten

Der Beitrag MPIA: Widerspenstiger Exoplanet lüftet seinen Schleier – ein bisschen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bern 14. Februar 2023.

14. Februar 2023 – In unserem Sonnensystem scheint alles seine Ordnung zu haben: Die kleineren Gesteinsplaneten, wie die Venus, die Erde oder der Mars kreisen relativ nahe um unseren Stern. Die großen Gas- und Eisriesen, wie Jupiter, Saturn oder Neptun ziehen dagegen in weiten Bahnen um die Sonne. Forschende der Universitäten Bern und Genf, sowie des Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS, zeigen in zwei im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Studien: damit steht unser Planetensystem ziemlich alleine da.

Wie Erbsen aus derselben Schote
«Bereits vor über einem Jahrzehnt stellten Astronominnen und Astronomen aufgrund von Beobachtungen mit dem damals bahnbrechenden Kepler Teleskop fest, dass Planeten in anderen Systemen ihren jeweiligen Nachbarn meist in Größe und Masse ähneln – wie Erbsen in einer Schote», sagt Studienhauptautor Lokesh Mishra, der an der Universität Bern und Genf, sowie dem NFS PlanetS forscht. Doch lange war unklar, ob diese Erkenntnis durch Einschränkungen bei den Beobachtungsmethoden zustande kam. «Es war unmöglich festzustellen, ob sich die Planeten in einem gewissen System genug ähnlich sind, um in die Klasse der ‘Erbsen-in-einer-Schote’-Systeme zu fallen, oder ob sie sich doch eher unterschieden – so, wie in unserem Sonnensystem», so Mishra.

Daher entwickelte der Forscher ein Konzept, um die Unterschiede und Ähnlichkeiten von Planeten derselben Systeme zu ermitteln. Und stellte dabei fest: es gibt nicht zwei, sondern vier solche Systemarchitekturen.

Vier Klassen von Planetensystemen
«Wir bezeichnen diese vier Klassen als ‘ähnlich’, ‘geordnet’, ‘anti-geordnet’ und ‘gemischt’, so Mishra. Planetensysteme, bei denen die Massen der benachbarten Planeten einander ähnlich sind, haben eine ähnliche Architektur. Geordnete Planetensysteme sind solche, bei denen die Masse der Planeten tendenziell mit dem Abstand zum Stern zunimmt – so, wie auch in unserem Sonnensystem. Wenn die Masse der Planeten dagegen mit dem Abstand zum Stern abnimmt, sprechen die Forschenden von einer anti-geordneten Architektur des Systems. Und gemischte Architekturen treten auf, wenn die Planetenmassen in einem System von Planet zu Planet stark schwanken.

«Dieses Konzept kann auch bei jeder anderen Messgröße angewendet werden, wie etwa Radius, Dichte oder Wasseranteilen», sagt Studienmitautor Yann Alibert, der an der Universität Bern und am NFS PlanetS forscht. «Damit haben wir nun erstmals ein Werkzeug, um Planetensysteme als Ganzes zu untersuchen und mit anderen Systemen zu vergleichen».

Die Erkenntnisse werfen auch Fragen auf: Welche Architektur ist die häufigste? Welche Faktoren steuern das Entstehen eines Architekturtyps? Welche Faktoren spielen keine Rolle? Einige davon können die Forschenden beantworten.

Eine Brücke über Milliarden von Jahren
«Unsere Ergebnisse zeigen, dass ‘ähnliche’ Planetensysteme die häufigste Art von Architekturen sind. Etwa acht von zehn Planetensysteme um die Sterne, die am Nachthimmel sichtbar sind, weisen eine solche ‘ähnliche’ Architektur auf», sagt Mishra. «Das erklärt auch, warum bereits in den ersten Monaten der Kepler-Mission Hinweise auf diese Architektur gefunden wurden». Überrascht hat das Team, dass die «geordnete» Architektur – also jene, zu der auch das Sonnensystem zählt – die seltenste Klasse zu sein scheint.

Es gäbe Hinweise, so Mishra, dass sowohl die Masse der Gas- und Staubscheibe, aus der die Planeten hervorgehen, als auch die Häufigkeit von schweren Elementen im jeweiligen Stern eine Rolle spielen. «Aus eher kleinen, wenig massiven Scheiben und Sternen mit wenig schweren Elementen gehen ‘ähnliche’ Planetensysteme hervor. Aus grossen, massiven Scheiben mit vielen schweren Elementen im Stern entstehen eher ‘geordnete’ und ‘anti-geordnete’ Systeme. ‘Gemischte’ Systeme entstehen aus mittelgrossen Scheiben. Dynamische Wechselwirkungen zwischen Planeten – wie etwa Kollisionen oder Auswürfe – beeinflussen die endgültige Architektur», erklärt Mishra.

«Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Ergebnisse ist, dass sie die Ausgangsbedingungen der Planeten- und Sternentstehung mit einer messbaren Eigenschaft – der Systemarchitektur – verbindet. Dazwischen liegen Milliarden von Jahren der Entwicklung. Uns ist es erstmals gelungen, diese riesige zeitliche Lücke zu überbrücken und überprüfbare Vorhersagen zu machen. Es wird spannend zu sehen, ob sie bestehen werden», resümiert Alibert.

Angaben zu den Publikationen:
L. Mishra, Y. Alibert, S. Udry, C. Mordasini, A framework for the architecture of exoplanetary systems. I. Four classes of planetary system architecture, Astronomy and Astrophysics, Accepted December 2022 https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202243751 DOI: 10.1051/0004-6361/202243751

L. Mishra, Y. Alibert, S. Udry, C. Mordasini, A framework for the architecture of exoplanetary systems. II. Nature versus nurture: Emergent formation pathways of architecture classes, Astronomy and Astrophysics, Accepted December 2022 https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202244705 DOI: 10.1051/0004-6361/202244705

Research Highlight Article in Nature Astronomy: Maltagliati, L. Finding order in planetary architectures. Nat Astron 7, 8 (20230). https://www.nature.com/articles/s41550-023-01895-0 DOI: 10.1038/s41550-023-01895-0

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Gesellschaft 3. Februar 2023.

3. Februar 2023 – Auf einem neu entdeckten Exoplaneten könnte sich die Suche nach Leben lohnen. Analysen eines Teams um die Astronomin Diana Kossakowski des Max-Planck-Instituts für Astronomie beschreiben einen Planeten, der seinen Heimatstern, den roten Zwergstern Wolf 1069, in der habitablen Zone umkreist. Das heißt, auf ihm könnten Temperaturen herrschen, bei denen es flüssiges Wasser geben kann. Außerdem hat der Planet namens Wolf 1069 b eine erdähnliche Masse. Es dürfte sich um einen Gesteinsplaneten handeln, der möglicherweise auch eine Atmosphäre besitzt. Das macht den Planeten zu einem der wenigen viel­versprechenden Ziele für die Suche nach Anzeichen für lebensfreundlich Bedingungen und Biosignaturen.

Wenn Astronominnen und Astronomen nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems suchen, haben sie es ganz besonders auf erdähnliche Himmelskörper abgesehen. Von den mehr als 5000 Exoplaneten, die sie bisher entdeckt haben, besitzen nur etwa ein Dutzend eine erdähnliche Masse und befinden sich in der habitablen Zone eines Sterns, also dem Bereich in einem Planetensystem, in dem flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche vorhanden sein kann. Mit Wolf 1069 b ist die Zahl solcher Exoplaneten, auf denen sich Leben entwickelt haben könnte, um einen Kandidaten gewachsen.

Ein Planet mit ewigem Tag und ewiger Nacht
Solche massearmen Planeten aufzuspüren, ist immer noch eine große Herausforderung. Diana Kossakowski und ihr Team vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben sich dieser Aufgabe im Rahmen des Carmenes-Projekts angenommen, in dem für die Suche nach potenziell lebensfreundlichen Welten eigens ein Instrument entwickelt wurde. Diese Apparatur setzt das Carmenes-Team am Calar-Alto-Observatorium in Spanien ein. „Als wir die Daten des Sterns Wolf 1069 auswerteten, entdeckten wir ein deutliches Signal mit geringer Amplitude, das auf einen Planeten von etwa Erdmasse hindeutet“, sagt Diana Kossakowski. „Er umkreist den Stern innerhalb von 15,6 Tagen in einer Entfernung, die einem Fünfzehntel des Abstands zwischen Erde und Sonne entspricht.“ Die Ergebnisse der Studie wurden nun in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Demnach ist die Oberfläche des Zwergsterns relativ kühl und erscheint dadurch orange-rötlich. „Dadurch verschiebt sich die sogenannte habitable Zone nach innen“, erläutert Kossakowski. Trotz der geringen Entfernung zum Zentralstern empfängt der Planet Wolf 1069 b daher nur etwa 65 Prozent der Strahlungsleistung, die die Erde von der Sonne erhält. Diese besonderen Bedingungen machen Planeten um rote Zwergsterne wie Wolf 1069 potenziell lebensfreundlich. Zudem teilen sie wahrscheinlich eine besondere Eigenschaft. Ihre Rotation ist nämlich vermutlich an ihre Umlaufbahn um den Zentralstern gebunden. Mit anderen Worten, der Planet wendet seinem Zentralstern immer dieselbe Seite zu. Dort herrscht also ewiger Tag, während auf der anderen Seite immer Nacht ist. Das ist auch der Grund, warum wir immer die gleiche Seite des Mondes sehen.

Klimasimulationen für Exoplaneten
Nimmt man Wolf 1069 b als einen kahlen und felsigen Planeten an, so läge die Durchschnittstemperatur selbst auf der sternzugewandten Seite gerade mal bei minus 23 Grad Celsius. Nach allem was die Astronomie über Planeten weiß, ist es aber gut möglich, dass Wolf 1069 b eine Atmosphäre besitzt. Unter dieser Annahme könnte seine Temperatur auf plus 13 Grad gestiegen sein, wie Computersimulationen mit Klimamodellen zeigen. Dann bliebe Wasser flüssig und es könnten dort lebensfreundliche Bedingungen herrschen, weil Leben so, wie wir es kennen, auf Wasser angewiesen ist.

Eine Atmosphäre ist nicht nur aus klimatischer Sicht Voraussetzung für die Entstehung von Leben. Sie würde Wolf 1069 b auch vor hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und Teilchen schützen, die denkbare Biomoleküle zerstören würde. Die Strahlung und Teilchen können entweder aus dem interstellaren Raum oder vom Zentralstern herrühren. Ist die Strahlung des Sterns zu stark, kann sie wie beim Mars auch die Atmosphäre eines Planeten abtragen. Doch als roter Zwerg sendet Wolf 1069 nur relativ schwache Strahlung aus. Somit könnte sich auf dem neu entdeckten Planeten eine Atmosphäre erhalten haben. Es ist sogar möglich, dass der Planet ein Magnetfeld hat, das ihn vor geladenen Sternwindteilchen schützt. Viele Gesteinsplaneten haben einen flüssigen Kern, der ähnlich wie auf der Erde über den Dynamoeffekt ein Magnetfeld erzeugt.

Die schwierige Suche nach Planeten mit Erdmasse
Bei der Suche nach Exoplaneten hat es immense Fortschritte gegeben, seit vor 30 Jahren der erste solche Himmelkörper entdeckt wurde. Dennoch sind die Signaturen, nach denen Astronomen suchen, um Planeten mit erdähnlichen Massen und Durchmessern aufzuspüren, relativ schwach und schwer aus den Messdaten herauszudestillieren. Das Carmenes-­Team sucht nach kleinen periodischen Frequenzverschiebungen in den Spektren von Sternen. Diese Verschiebungen deuten auf einen Begleiter hin, der durch seine Schwerkraft an dem Wirtsstern zieht und diesen zum Taumeln bringt, sodass sich die Frequenz des auf der Erde gemessenen Lichts aufgrund des Dopplereffekts minimal verändert. Diese Schwankungen sind im Fall von Wolf 1069 und seinem neu entdeckten Planeten groß genug, um sie gut messen zu können, weil der Masseunterschied zwischen Stern und Planet relativ klein ist und der Stern deshalb relativ stark taumelt. Aus der Taumelbewegung lässt sich dann wiederum die Masse des Planeten abschätzen.

Nur eine Handvoll Kandidaten für die zukünftige Charakterisierung von Exoplaneten
Mit einer Entfernung von 31 Lichtjahren ist Wolf 1069 b der sechstnächste Planet zur Erde, der sich in der habitablen Zone um seinen Wirtsstern befindet. Er gehört zu einer kleinen Gruppe von Objekten wie Proxima Centauri b und Trappist-1 e, die für die Suche nach Biosignaturen in Frage kommen. Solche Beobachtungen sind der astronomischen Forschung derzeit jedoch nicht möglich. „Wir werden wahrscheinlich noch zehn Jahre darauf warten müssen“, sagt Kossakowski. Das Extremely Large Telescope (ELT), das derzeit in Chile gebaut wird, könnte in der Lage sein, die Zusammensetzung der Atmosphäre von Exoplaneten zu untersuchen und dort molekulare Hinweise auf Leben aufzuspüren.

Originalveröffentlichung
D. Kossakowski, M. Kürster, T. Trifonov, Th. Henning, et al.
The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs – Wolf 1069 b: Earth-mass planet in the habitable zone of a nearby, very low-mass star
Astronomy & Astrophysics (2023), dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202245322
https://arxiv.org/abs/2301.02477

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• Exoplaneten in habitabler Zone

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 25. November 2022.

25. November 2022 – Während seine Größe dem Durchmesser des Jupiters entspricht, beträgt die Masse von HD 114082 b das Achtfache des Jupiters. Zusammengenommen sind diese beiden Größen schwer mit den weithin akzeptierten Modellen der Planetenentstehung zu vereinbaren. Eine mögliche Lösung dieses Rätsels könnte eine Aktualisierung der Entstehungsmodelle erfordern, um einen ungewöhnlich großen festen Planetenkern zu erlauben.

Astronomen haben mehr als 5.000 Exoplaneten entdeckt, von denen etwa 15 % Gasriesen mit einer Masse von mindestens der des Jupiters sind. Nun entdeckte eine Gruppe von Astronomen und Astronominnen unter der Leitung von Olga Zakhozhay (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland, und Astronomisches Haupt­observatorium der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine, Kiew, Ukraine) einen Exoplaneten mit dem Namen HD 114082 b, der eine Reihe von Eigenschaften aufweist, die den Wissenschaftlern Kopfzerbrechen bereiten.

Der Planet ist etwa so groß wie der Jupiter, aber seine Masse erreicht acht Jupitermassen. „Verglichen mit derzeit akzeptierten Modellen ist HD 114082 b etwa zwei- bis dreimal zu dicht für einen jungen Gasriesen mit einem Alter von nur 15 Millionen Jahren“, sagt Olga Zakhozhay, die Hauptautorin der Studie. Die sich daraus ergebende mittlere Dichte dieses Gasplaneten ist doppelt so hoch wie die der Erde – was wirklich bemerkenswert ist. Schließlich ist die Erde ein Gesteinsplanet mit einem Eisen-Nickel-Kern und besteht nicht aus Wasserstoff und Helium, den leichtesten Elementen im Universum, aus denen Jupiter nahezu ausschließlich aufgebaut ist.

„HD 114082 b ist derzeit der jüngste bekannte Gasriesenplanet mit einer ermittelten Masse und einem ermittelten Radius“, so Zakhozhay. Daher verspricht er, den Astronomen etwas über die Entstehung von Gasriesen im Allgemeinen zu lehren.

Zwei verschiedene Mechanismen der Planetenentstehung
„Wir denken, dass sich Riesenplaneten auf zwei Arten bilden können“, sagt Ralf Launhardt, Mitautor vom MPIA. „Beide finden innerhalb einer protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub statt, die sich um einen jungen Zentralstern verteilt.“ Beim ersten Prozess, der als „Kernakkretion“ bezeichnet wird, sammelt sich zunächst ein fester Kern aus Gesteins­material an. Sobald dieser eine kritische Masse erreicht hat, zieht seine Gravitationskraft das umgebende Gas an, was zur raschen Anhäufung von Wasserstoff und Helium führt, wodurch ein Riesenplanet entsteht. Beim zweiten Vorgang, der „Scheibeninstabilität“ genannt wird, kollabieren gravitativ instabile Pakete aus dichtem Gas direkt und bilden einen Riesenplaneten ohne Gesteinskern.

Je nach den für diese beiden Szenarien getroffenen Annahmen sollte das Gas unterschiedlich schnell abkühlen, was die Temperatur junger Gasriesenplaneten bestimmt. Daher können die neuen Planeten einen „kalten Beginn“ oder einen „heißen Beginn“ durchlaufen, was zu beobachtbaren Unterschieden führt, die möglicherweise zwischen diesen Modellen unterscheiden können, insbesondere in jungen Jahren.

Die bevorzugten Modelle passen nicht
Derzeit bevorzugen viele Astronomen und Astronominnen ein Kernakkretions-Szenario mit einem heißen Beginn für Riesenplaneten wie HD 114082 b. Da heißes Gas ein größeres Volumen einnimmt als kaltes Gas, sollte man merkliche Unterschiede in den Größen der beobachteten Planeten feststellen. Dieser Größenunterschied ist bei jungen Planeten stärker ausgeprägt. In den ersten Hunderten von Millionen Jahren der Abkühlung nach der Entstehung verringert sich dieser Effekt jedoch.

Auf den ersten Blick widerspricht HD 114082 b den Erwartungen. Die Kombination aus Masse und Größe passt nicht zum Bild des heißen Beginns. Stattdessen entspricht er eher dem Szenario des kalten Beginns. Interessanterweise zeigen einige etwas ältere Kandidaten, die in anderen Studien genannt wurden, das gleiche Verhalten. „Es ist viel zu früh, um die Vorstellung eines heißen Anfangs aufzugeben“, erklärt Ralf Launhardt. „Wir können nur sagen, dass wir die Entstehung von Riesenplaneten noch nicht sehr gut verstehen.“ Es ist klar, dass HD 114082 b im Vergleich zu den aktuellen Modellen zu klein für seine Masse ist. Entweder hat er einen ungewöhnlich großen festen Kern, oder die Modelle sind falsch und unterschätzen die Rate, mit der diese Gasriesen abkühlen können – oder beides.

Der Nutzen von Langzeitprojekten
Die Entdeckung von HD 114082 b ist das Ergebnis eines umfangreichen Beobachtungsprogramms namens RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets around Young stars). Derzeit umfasst es 775 Beobachtungsstunden mit dem vom MPIA betriebenen 2,2-Meter-Teleskop der ESO/MPG am Standort La Silla der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile, die sich über 4,5 Jahre verteilen. RVSPY ist ein gutes Beispiel für ertragreiche astronomische Forschung, die an Teleskopen mit dauerhaftem Zugang über einen langen Zeitraum durchgeführt wird. Solche Studien wären mit den neuesten Teleskopen kaum möglich, da die Beobachtungszeit pro Projekt aufgrund der hohen Nachfrage stark begrenzt ist.

Ziel von RVSPY ist es, die Anzahl und Verteilung der (heißen, warmen und kalten) Riesenplaneten um junge Sterne aufzudecken. Zu diesem Zweck nehmen die Astronomen und Astronominnen Zeitreihen von Spektren von 111 jungen Sternen auf, d. h. sie zerlegen das Sternenlicht in seine grundlegenden Farbkomponenten, ähnlich wie wir es bei einem Regenbogen sehen. Winzige periodische Verschiebungen in den Sternspektren können auf eine Taumelbewegung des beobachteten Sterns hinweisen, die durch die Anziehungskraft eines ihn umkreisenden Planeten verursacht wird. Grundsätzlich kann die Aktivität der Sterne, wie Pulsationen oder Flares, die Messungen beeinträchtigen, insbesondere bei jungen Sternen wie HD 114082. Die Qualität der RVSPY-Daten ist jedoch gut genug, um das Signal des wankenden Sterns zweifelsfrei zu erkennen. Das Team bezog auch ältere Archivdaten von anderen Teleskopen ein, um die Abdeckung in die Vergangenheit auszudehnen.

Ein Transit-Ereignis vervollständigt die Analyse
Während die Astronomen diese so genannte Radialgeschwindigkeits­methode anwenden, um auf die Masse und die Umlaufzeit eines Planeten um seinen Zentralstern zu schließen, müssen sie zur Bestimmung seiner Größe auf eine andere Technik zurückgreifen. Nehmen wir an, dass die Planetenbahn so ausgerichtet ist, dass sie zufällig den Zentralstern kreuzt. Man nennt ein solches Ereignis einen „Transit“. Wenn dies geschieht, lässt sich aufgrund der periodisch auftretenden winzigen Abschwächung des empfangenen Lichts während der Transits der Radius des Planeten berechnen und seine Umlaufdauer genauer bestimmen.

„Wir vermuteten bereits eine Konfiguration der Planetenbahn, die fast auf der Seite liegt, da vor einigen Jahren ein Ring aus Staub um HD 114082 entdeckt wurde“, sagt Olga Zakhozhay. „Dennoch hatten wir das Glück, in den TESS-Daten eine Beobachtung mit einer beeindruckenden Transitlichtkurve zu finden, die unsere Analyse verbesserte.“ TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ist eine NASA-Raumsonde, die nach Exoplaneten um Sterne in relativer Nähe zur Erde sucht.

Durch die Kombination dieser Messungen fanden Zakhozhay und ihre Kollegen heraus, dass HD 114082 b seinen sonnenähnlichen Mutterstern innerhalb von 110 Tagen in einem Abstand von etwa 0,5 Astronomischen Einheiten umkreist. Eine Astronomische Einheit ist der mittlere Abstand zwischen der Sonne und der Erde. Sie ähnelt damit der Umlaufbahn des Merkurs um unsere Sonne.

Bessere Modelle werden benötigt
HD 114082 b ist einer von nur drei jungen Riesenplaneten mit einem Alter von bis zu 30 Millionen Jahren, deren Masse und Größe bekannt sind. Und alle stehen wahrscheinlich im Widerspruch zu den am häufigsten angenommenen Modellen für den heißen Beginn. Obwohl die Astronomen und Astronominnen mit drei Planeten auf eine Statistik mit niedrigen Zahlen zurückgreifen, ist es unwahrscheinlich, dass alle diese Planeten Ausreißer sind. „Zwar werden mehr solcher Planeten benötigt, um diesen Trend zu bestätigen, aber wir glauben, dass Theoretiker ihre Berechnungen erneut überdenken sollten“, so Zakhozhay. „Es ist spannend, wie unsere Beobachtungsergebnisse in die Theorie der Planeten­bildung einfließen. Sie tragen dazu bei, unser Wissen darüber zu verbessern, wie diese Riesenplaneten entstehen, und zeigen uns, wo die Lücken in unserem Verständnis liegen.“

Hintergrundinformationen
Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Forscher sind Olga V. Zakhozhay (außerdem Astronomisches Hauptobservatorium der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine, Kiew, Ukraine), Ralf Launhardt, Trifon Trifonov, Martin Kürster, Thomas Henning und Gabriel-Dominique Marleau (außerdem Universität Duisburg-Essen, Deutschland; Universität Tübingen, Deutschland; Universität Bern, Schweiz).

Originalpublikation:
Olga V. Zakhozhay et al., „Radial Velocity Survey for Planets around Young stars (RV SPY): A transiting warm Super-Jovian planet around HD 114082, a young star with a debris disk“, Astronomy & Astrophysics, 667, L14 (2022), doi: 10.1051/0004-6361/202244747, https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202244747, pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2022/11/aa44747-22.pdf.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 22. November 2022.

22. November 2022 – Die detaillierten Infrarotspektren, die mit drei der vier JWST-Instrumente aufgenommen wurden, enthüllen die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre so detailliert wie nie zuvor, geben erste Anzeichen von Photochemie, liefern Informationen über die Wolkendecke des Planeten und erlauben sogar Rückschlüsse auf die Entstehung des Himmelskörpers. Die Ergebnisse zeigen ganz allgemein die Leistungsfähigkeit dieser Art von Beobachtungen mit dem JWST auf. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Informationen über Wolken, ein nahezu vollständiges chemisches Inventar, das Hinweise auf die Entstehungsgeschichte des Planeten gibt, erstmals Daten zur Photochemie – und das sind nur einige der Highlights der jetzt veröffentlichten Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James Webb Teleskop (JWST). „Daten wie diese sind ein Wendepunkt“, urteilt Natalia Batalha (University of California in Santa Cruz), die das Beobachtungsprogramm koordinierte, das zu den neuen Ergebnissen führte. Die neuen Ergebnisse einer Gruppe von Astronom*innen, zu der auch MPIA-Direktorin Laura Kreidberg gehört, sind eine Art Testlauf für jene Methoden, mit denen Astronom*innen hoffen, in Zukunft auch einmal Leben auf fernen Planeten nachweisen zu können – eine Aufgabe für einen Nachfolger des JWST.

Die Leistungsfähigkeit des JWST auf die Probe stellen
Der Start des JWST am 25. Dezember 2021 hat die Gemeinschaft der Astronom*innen weltweit elektrisiert. Die ersten Bilder und Spektren, die Mitte Juli 2022 veröffentlicht wurden, schraubten die Erwartungen noch zusätzlich in die Höhe. Sie zeigten eindrücklich, um wieviel besser das Leistungsvermögen des JWST im Vergleich zu den bis dahin verfügbaren Teleskopen im gleichen Wellenlängenbereich ist: wie detailliert das Teleskop in der Lage ist, einige der am weitesten entfernten Objekte im Universum abzubilden, und wie hoch die Datenqualität für Helligkeitsmessungen und die Bestimmung astronomischer Spektren ist (also für die regenbogenartigen Zerlegungen des Lichts astronomischer Objekte, die eine Fülle von Informationen über Bewegungen, chemische Zusammensetzung und Temperatur enthalten).

Für Astronom*innen, die ihre eigenen Beobachtungen planen, waren die in diesen ersten Bildern enthaltenen Informationen natürlich nicht annähernd ausreichend. Für sie wurde JWST unmittelbar danach auf Herz und Nieren geprüft, und zwar in den ersten fünf Monaten des wissenschaftlichen Betriebs von JWST in Form der „Early Release Science Programs“. Das sind 13 Beobachtungsprogramme, die eine repräsentative Auswahl an Zielen von Objekten des Sonnensystems bis hin zu den entferntesten Galaxien abdecken und speziell so ausgewählt wurden, dass sie beobachtenden Astronomen alle Informationen liefern, die sie benötigen, um für spätere eigene Beobachtungsvorhaben die Instrumente von JWST optimal zu nutzen. Die Daten werden dementsprechend direkt nach Abschluss der Beobachtungen an die astronomische Gemeinschaft weitergegeben. Ergänzt werden sie durch „Rezeptbücher“ und gezielte Auswertungen, die zukünftige Beobachtungsplanung erleichtern sollen.

Mit allen Instrumenten auf WASP-39b
In einer Reihe von fünf Artikeln, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, können sich Astronom*innen im Rahmen dieses Programms jetzt von der Leistungsfähigkeit des JWST bei der Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten überzeugen – Planeten also, die um andere Sterne kreisen als um die Sonne. Die Beobachtungen sind Teil des von Batalha geleiteten Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program und konzentrieren sich auf den Planeten WASP-39b. Der Planet ähnelt von der Masse her dem Saturn in unserem Sonnensystem (ob er Ringe besitzt, wissen wir freilich nicht), wenn auch mit aufgeblähterer Atmosphäre; er umkreist einen Stern, der nur etwas weniger Masse hat als die Sonne. Das gesamte System befindet sich in einer Entfernung von etwa 700 Lichtjahren von der Erde.

Für die jetzt veröffentlichten Beobachtungen sind sogenannte Exoplanetentransits entscheidend. Ein solcher Transit findet statt, wenn ein Planet, der einen fernen Stern umkreist, aus der Sicht von Beobachter*innen hier auf der Erde genau zwischen jenem Stern und uns vorbeizieht. Exoplaneten sind normalerweise zu weit entfernt, als dass wir bei solcher Gelegenheit im Detail sehen könnten, wie die kleine dunkle Scheibe des Planeten vor der hellen Scheibe des Sterns vorbeizieht. Was man jedoch beobachten kann, sind Helligkeitsveränderungen. Schließlich bewegt sich der Planet ja beim Transit vor seinen Stern und schattet damit einen Teil des Sternenlichts ab. Die Astronom*innen nutzten das JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transits von WASP-39b zu beobachten. Dabei kamen drei der vier wissenschaftlichen Instrumente des Weltraumteleskops zum Einsatz: NIRCam und NIRISS für jeweils einen Transit, und außerdem noch zwei Transits, die mit zwei verschiedenen Betriebsarten von NIRSpec beobachtet wurden. Als Teil eines europäischen Konsortiums hat das MPIA in Heidelberg einen direkten Bezug zu der Hardware, die hier zum Einsatz kam: die Mechanismen der Filter- und Gitterräder, mit denen NIRSpec das Licht in die verschiedenen Wellenlängen aufteilt, wurden am MPIA gefertigt.

Transit-Spektroskopie
Bei den Helligkeitsschwankungen gibt es eine zusätzliche Besonderheit. WASP-39 b besitzt eine vergleichsweise dichte Atmosphäre. Könnte man die Details der Planetenscheibe während eines Transits vor dem Hintergrund der Sternscheibe sehen, würde man deswegen die dunkle Planetenscheibe sehen, umgeben von einem dünnen farbigen Ring, mit dem sich das durch die Planetenatmosphäre gefilterte Sternenlicht bemerkbar macht.

In der farbigen Zone ist die Abschwächung des Sternenlichts farbabhängig, oder physikalisch ausgedrückt: Sie hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, bei der wir das System beobachten. Würde die Detailaufnahme (die wir in Wirklichkeit wie gesagt nicht zur Verfügung haben) beispielsweise eine dunkle Scheibe zeigen, die von einem dünnen blauen Ring der Planetenatmosphäre umgeben ist, würde das schließlich bedeuten, dass blaues Licht die Atmosphäre durchdringen könnte, rotes Licht aber nicht so gut – und entsprechend wäre die Abschwächung des Sternenlichts bei der Beobachtung durch einen Rotfilter stärker ausgeprägt als durch einen Blaufilter.

In Studien wie den hier beschriebenen beobachtet JWST den Transit nicht durch Filter, sondern setzt stattdessen Spektroskopie ein, um den Transit gleich in jeder „Elementarfarbe“, anders gesagt: in jedem Wellenlängenbereich separat zu beobachten. Dabei wird für einen breiten Bereich von Infrarot-Wellenlängen dokumentiert, wie stark die Helligkeit bei jeder Wellenlänge während des Transits zurückgeht („Transittiefen“).

Eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre
Durch den Vergleich solcher spektroskopischen Beobachtungen mit Modellen der Planetenatmosphäre gewannen die Astronom*innen eine Fülle von Informationen. Die erste war eine detaillierte Auflistung bestimmter Moleküle, die in der Atmosphäre vorhanden sind. Im August hatte das Team bereits den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b veröffentlicht, den ersten sicheren Nachweis dieses Moleküls in einer Exoplanetenatmosphäre.

Die jetzt veröffentlichten Arbeiten fügen eine Reihe von entscheidenden weiteren Informationen hinzu. Eine damals noch rätselhafte Auffälligkeit im Spektrum entpuppte sich als Schwefeldioxid – wiederum der erste Nachweis dieser Art in einer Exoplanetenatmosphäre. Damit lässt sich erstmals die Photochemie von Exoplaneten beobachten: Schwefeldioxidmoleküle, analog zum Ozon in der Erdatmosphäre, bilden sich, wenn die Außenbereiche der Exoplanetenatmosphäre mit hochenergetischen Photonen des Sternes wechselwirken. Dass WASP-39b so nahe an seinem Stern liegt (ein Achtel der Entfernung von Merkur zu unserer Sonne!), macht ihn zu einem idealen Labor zur Erforschung dieser Art von Reaktionen.

Hinweise auf die Planetenentstehung
Einige der Informationen lassen sogar Rückschlüsse auf die Entstehung des Planeten zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deuten auf eine Entstehungsgeschichte hin, bei der kleinere Planetenvorstufen („Planetesimale“) miteinander kollidiert sind und sich letztlich zu dem heutigen, recht großen Planeten zusammengefunden haben. Insbesondere das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis, konkret dass Sauerstoff viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet darauf hin, dass WASP-39b viel weiter entfernt von seinem Stern entstand und erst später auf seine jetzige, viel kleinere Umlaufbahn umgezogen ist.

Der Vergleich von Beobachtungen und Modellen gibt außerdem Aufschluss über die Wolken des Planeten: Es handelt sich um eine aufgelockerte Ansammlung von Wolken – die freilich bei den auf WASP-39b herrschenden hohen Temperaturen nicht aus Wasser, sondern aus Substanzen wie Sulfiden und Silikaten bestehen – und nicht um eine geschlossene Wolkendecke.

Hilfestellung für zukünftige Beobachtungen
Die Beobachtungen haben den Astronomen bereits einen detaillierteren Blick auf die Atmosphäre eines Exoplaneten ermöglicht als je zuvor. Das weckt Erwartungen auf viele weitere, zukünftige Entdeckungen mit ähnlichen Beobachtungen. Und genau solche Entdeckungen soll das hier durchgeführte Programm schließlich auch fördern. Deswegen stellen die Astronomen ein Rezept für die Datenanalyse ihres Datensatzes zur Verfügung und dokumentieren ausführlich ihre Erfahrungen mit dem JWST in diesem speziellen Beobachtungsmodus. Das sollte es anderen Beobachtern ermöglichen, das JWST ebenfalls für Transitbeobachtungen dieser Art zu nutzen.

MPIA-Direktorin Laura Kreidberg, die Mitglied des Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program ist, betont, dass dies tatsächlich erst der Anfang ist: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die weiteren erstaunlichen wissenschaftlichen Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit genau getestet. Die Beobachtungen liefen nahezu fehlerfrei – noch besser als wir gehofft hatten.“

Auf lange Sicht: Die Suche nach Leben auf anderen Planeten
Die aktuellen Beobachtungen sind außerdem für eines der größten zukünftigen Ziele der beobachtenden Astronomie von Bedeutung: den Nachweis von Spuren von Leben auf Exoplaneten. Den derzeitigen Planungen nach dürfte die Entdeckung von Leben auf einem Exoplaneten vom Nachweisprinzip her sehr ähnlich ablaufen wie die hier beschriebene Forschung: Detaillierte Transitbeobachtungen durch ein Weltraumteleskop, das ein Nachfolger von JWST ist, würden genutzt, um Daten über die Atmosphäre des Exoplaneten zu gewinnen. Ein Vergleich mit Atmosphärenmodellen würde schließlich zeigen, dass eine bestimmte Kombination von Eigenschaften – z. B. ein Überschuss an atmosphärischem Sauerstoff – auf das Vorhandensein bestimmter Arten von Lebewesen auf diesem Planeten hinweist.

Die hier beschriebenen Beobachtungen sind damit zum einen ein Testlauf für die Beobachtungstechniken, die bei dieser Art der Suche nach Leben auf anderen Planeten genutzt werden würden. Darüber hinaus liefern sie aber auch wichtige Informationen für ein umfassenderes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten, und ein solches deutlich besseres Verständnis wird dringend notwendig sein, um bei der Suche nach Leben zwischen der Chemie von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen unterscheiden zu können.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature als fünfteilige Artikelserie veröffentlicht: Eva-Maria Ahrer et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRCam“; Lili Alderson et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet Transit Spectroscopy with NIRSpec“; Zafar Rustamkulov et al., „The Broadband Transmission Spectrum of WASP-39b from JWST NIRSpec PRISM Observations“; Adina D. Feinstein et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRISS-SOSS“; Shang-Min Tsai et al., „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere“.

Die beteiligten MPIA-Forscher*innen sind Laura Kreidberg, Maria Steinrück, Sebastian Zieba und Thomas Mikal-Evans, als Teil des Teams für das Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program.

Originalpublikationen:
Eva-Maria Ahrer et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRCam“
Lili Alderson et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet Transit Spectroscopy with NIRSpec“
Zafar Rustamkulov et al., „The Broadband Transmission Spectrum of WASP-39b from JWST NIRSpec PRISM Observations“
Adina D. Feinstein et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRISS-SOSS“
Shang-Min Tsai et al., „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere“
alle: Nature (2022)

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• JWST – James Webb Space Telescope

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