Quelle: NASA / Jet Propulsion Laboratory, 26. Januar 2026

Dank der beispiellosen Empfindlichkeit des Webb-Teleskops erfahren Wissenschaftler immer mehr über den Einfluss der Dunklen Materie auf Sterne, Galaxien und sogar Planeten wie die Erde. Wissenschaftler haben anhand von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine der detailliertesten und hochauflösendsten Karten der Dunklen Materie erstellt, die jemals erstellt wurde. Sie zeigt, wie sich das unsichtbare, geisterhafte Material mit „normaler“ Materie überlagert und verflechten, aus der Sterne, Galaxien und alles, was wir sehen können, bestehen. Die Karte, die am Montag, dem 26. Januar, in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, baut auf früheren Forschungen auf und liefert zusätzliche Bestätigungen und neue Details darüber, wie dunkle Materie das Universum im größten Maßstab – Galaxienhaufen mit einem Durchmesser von Millionen von Lichtjahren – geprägt hat, aus denen letztlich Galaxien, Sterne und Planeten wie die Erde entstanden sind.

„Dies ist die größte Karte der Dunklen Materie, die wir mit Webb erstellt haben, und sie ist doppelt so scharf wie alle anderen Karten der Dunklen Materie, die von anderen Observatorien erstellt wurden“, sagte Diana Scognamiglio, Hauptautorin der Studie und Astrophysikerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bisher hatten wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie. Dank der unglaublichen Auflösung von Webb sehen wir nun die unsichtbare Struktur des Universums in atemberaubender Detailgenauigkeit.“

Dunkle Materie strahlt kein Licht aus, reflektiert es nicht, absorbiert es nicht und blockiert es auch nicht, sondern durchdringt normale Materie wie ein Geist. Aber sie interagiert mit dem Universum durch die Schwerkraft, was die Karte mit einer neuen Klarheit zeigt. Der Beweis für diese Interaktion liegt im Grad der Überlappung zwischen dunkler Materie und normaler Materie. Laut den Autoren der Studie bestätigen die Beobachtungen von Webb, dass diese enge Übereinstimmung kein Zufall sein kann, sondern darauf zurückzuführen ist, dass die Schwerkraft der dunklen Materie im Laufe der kosmischen Geschichte normale Materie zu sich hinzieht.

„Wo immer wir einen großen Cluster aus Tausenden von Galaxien sehen, sehen wir auch eine ebenso große Menge an dunkler Materie am selben Ort. Und wenn wir eine dünne Kette aus normaler Materie sehen, die zwei dieser Cluster verbindet, sehen wir auch eine Kette aus dunkler Materie“, sagte Richard Massey, Astrophysiker an der Durham University im Vereinigten Königreich und Mitautor der neuen Studie. „Es ist nicht nur so, dass sie die gleiche Form haben. Diese Karte zeigt uns, dass dunkle Materie und normale Materie immer am selben Ort waren. Sie sind zusammen gewachsen.“

Genauer betrachtet

Das Gebiet, das von der neuen Karte abgedeckt wird, befindet sich im Sternbild Sextans und ist etwa 2,5 Mal so groß wie der Vollmond. Eine weltweite Gemeinschaft von Wissenschaftlern hat diese Region mit mindestens 15 bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen für die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) beobachtet. Ihr Ziel: die Position der regulären Materie hier genau zu messen und sie dann mit der Position der dunklen Materie zu vergleichen. Die erste Karte der dunklen Materie in diesem Gebiet wurde 2007 unter Verwendung von Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA erstellt, einem Projekt unter der Leitung von Massey und dem JPL-Astrophysiker Jason Rhodes, einem Mitautor der Veröffentlichung.

Webb beobachtete diese Region insgesamt etwa 255 Stunden lang und identifizierte fast 800.000 Galaxien, von denen einige zum ersten Mal entdeckt wurden. Scognamiglio und ihre Kollegen suchten dann nach dunkler Materie, indem sie beobachteten, wie ihre Masse den Raum selbst krümmt, was wiederum das Licht von fernen Galaxien auf seinem Weg zur Erde ablenkt. Bei der Beobachtung durch die Forscher wirkt es so, als ob das Licht dieser Galaxien durch eine gekrümmte Fensterscheibe gefallen wäre.

Die Webb-Karte enthält etwa zehnmal mehr Galaxien als Karten des Gebiets, die von bodengestützten Observatorien erstellt wurden, und doppelt so viele wie die von Hubble. Sie zeigt neue Ansammlungen dunkler Materie und liefert eine höherauflösende Ansicht der zuvor von Hubble beobachteten Gebiete. Um die Entfernungsmessungen zu vielen Galaxien für die Karte zu verfeinern, verwendete das Team das Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb, das vom JPL entwickelt und bis zum Start betreut wurde, zusammen mit anderen Weltraum- und bodengestützten Teleskopen. Dank der von MIRI erfassten Wellenlängen eignet es sich auch hervorragend zur Erkennung von Galaxien, die durch kosmische Staubwolken verdeckt sind.

Warum das wichtig ist

Als das Universum entstand, waren normale Materie und dunkle Materie wahrscheinlich nur spärlich verteilt. Wissenschaftler glauben, dass sich die dunkle Materie zuerst zu Klumpen zusammenballte und dass diese Klumpen dann normale Materie anzogen, wodurch Regionen mit genügend Material entstanden, in denen sich Sterne und Galaxien bilden konnten. Auf diese Weise bestimmte die dunkle Materie die großräumige Verteilung der Galaxien im Universum. Indem sie die Entstehung von Galaxien und Sternen früher als sonst ausgelöst hat, trug die Dunkle Materie auch dazu bei, die Voraussetzungen für die spätere Entstehung von Planeten zu schaffen. Denn die ersten Generationen von Sternen waren dafür verantwortlich, Wasserstoff und Helium – die den größten Teil der Atome im frühen Universum ausmachten – in die vielfältigen Elemente umzuwandeln, aus denen heute Planeten wie die Erde bestehen. Mit anderen Worten: Die Dunkle Materie verschaffte komplexen Planeten mehr Zeit für ihre Entstehung.

„Diese Karte liefert einen weiteren Beweis dafür, dass es ohne Dunkle Materie in unserer Galaxie möglicherweise keine Elemente gäbe, die das Entstehen von Leben ermöglicht hätten“, so Rhodes. „Dunkle Materie ist nichts, was wir in unserem Alltag auf der Erde oder sogar in unserem Sonnensystem antreffen, aber sie hat uns definitiv beeinflusst.“

Scognamiglio und einige ihrer Co-Autoren werden die Dunkle Materie auch mit dem kommenden Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA über einem Gebiet kartieren, das 4.400 Mal größer ist als die COSMOS-Region. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Zielen von Roman gehört es, mehr über die grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie zu erfahren und darüber, wie sie sich im Laufe der kosmischen Geschichte verändert haben oder auch nicht. Die Karten von Roman werden jedoch die räumliche Auflösung von Webb nicht übertreffen. Eine detailliertere Untersuchung der dunklen Materie wird nur mit einem Teleskop der nächsten Generation möglich sein, wie dem Habitable Worlds Observatory, dem nächsten Flaggschiff-Konzept der NASA im Bereich der Astrophysik.

Mehr über Webb

Das James Webb Space Telescope löst Geheimnisse in unserem Sonnensystem, blickt über diese hinaus auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumagentur).

Weitere Informationen über Webb finden Sie unter: https://science.nasa.gov/webb

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Dunkle Materie

Der Beitrag NASA enthüllt neue Details über den Einfluss der Dunklen Materie auf das Universum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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).

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Direkt beobachtete Exoplaneten

Der Beitrag ESA: Webb nimmt neuen, kalten Exoplaneten in 12 Lichtjahren Entfernung auf erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

Der Beitrag Hinweise auf eine mögliche Atmosphäre um einen felsigen Exoplaneten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

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

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Das Magnetfeld eines Sterns muss berücksichtigt werden, um die Größe und andere Eigenschaften seiner Exoplaneten aus Beobachtungsdaten von Weltraumteleskopen wie Kepler, James Webb oder PLATO korrekt zu bestimmen. Das belegen neue Modellrechnungen, die eine Forschergruppe unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy vorstellt. Die Forschenden zeigen, dass die Helligkeitsverteilung des Sterns über seine gesamte Scheibe von seiner magnetischen Aktivität abhängt. Dies wiederum beeinflusst die Spuren, die seine Exoplaneten in Beobachtungsdaten hinterlassen. Das neue Modell der Forschergruppe ist unerlässlich, um bei der Suche nach fernen Welten außerhalb unseres Sonnensystems die Daten der neusten Generation von Weltraumteleskopen richtig interpretieren zu können.

700 Lichtjahre entfernt von der Erde im Sternbild Jungfrau zieht der Planet WASP-39b seine Bahnen um den Stern WASP-39. Der Gasriese, der kaum mehr als vier Tage für einen Umlauf benötigt, zählt zu den am besten untersuchten Exoplaneten: Kurz nach der Inbetriebnahme im Juli 2022 richtete das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA seinen hochpräzisen Blick auf den fernen Planeten. In den Messdaten fanden sich Hinweise auf große Mengen Wasserdampf, auf Methan und sogar erstmals auf Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Eine kleine Sensation. Doch es bleibt ein Wermutstropfen: Forschenden gelingt es bisher nicht, alle entscheidenden Details der Messkurven in Modellrechnungen zu reproduzieren. Dies steht einer noch exakteren Auswertung der Daten im Wege. In ihrer aktuellen Studie zeigt das vom MPS geleitete Team, zu dem auch Forschende des Massachusetts Institute of Technology (USA), des Space Telescope Science Institute (USA), der Universität Keele (Vereinigtes Königreich) und der Universität Heidelberg gehören, einen Weg auf, dieses Hindernis zu überwinden.

„Die Probleme, die sich bei der Interpretation der Messdaten von WASP-39b ergeben, kennen wir von vielen Exoplaneten – ganz gleich, ob sie mit den Weltraumteleskopen Kepler, TESS, James-Webb oder der zukünftigem Raumsonde PLATO beobachtet werden“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Nadiia Kostogryz, Erstautorin der neuen Studie. „Auch bei WASP-39 fällt die beobachtete Lichtkurve flacher ab, als bisherige Modelle erklären können“, fügt sie hinzu.

Als Lichtkurve bezeichnen Forschende Helligkeitsmessung eines Sterns über einen längeren Zeitraum. Die Helligkeit eines Sterns fluktuiert ständig, etwa weil seine Leuchtkraft natürlichen Schwankungen unterliegt. Auch Exoplaneten können Spuren in der Lichtkurve hinterlassen. Zieht ein Exoplanet vom Beobachter aus betrachtet vor seinem Stern vorbei, verdunkelt er ihn. In der Lichtkurve zeigt sich dies als regelmäßig wiederkehrender Helligkeitsabfall. Genaue Auswertungen solcher Kurven liefern Informationen über Größe und Umlaufdauer des Planeten. Zudem können Forschende ihnen Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten entnehmen, wenn sie das Sternenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten.

Genauer Blick auf den Randbereich
Eine entscheidende Rolle bei der Interpretation einer Lichtkurve spielt der Randbereich eines Sterns. Wie im Fall der Sonne erscheint dieser dem Beobachter dunkler als der innere Bereich des Sterns. Dabei leuchtet der Stern weiter außen nicht wirklich weniger hell. „Da der Stern eine Kugel ist und seine Oberfläche gekrümmt, schauen wir am Rand in höhere und deshalb kühlere Schichten als in der Mitte“, erklärt Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon. „Dieser Bereich erscheint uns deshalb dunkler“, fügt er hinzu.

Dass sich die Randverdunklung auf die genaue Form des Exoplaneten-Signals in der Lichtkurve auswirkt, ist bekannt: Die Verdunklung bestimmt, wie steil die Helligkeit eines Sterns beim Planetentransit abfällt und danach wieder ansteigt. Doch mit herkömmlichen Modellen der Sternatmosphäre war es bisher nicht möglich, Messdaten genau zu reproduzieren. Die gemessenen Lichtkurven fielen stets weniger abrupt ab, als die Modellrechnungen erwarten ließen. „Es war klar, dass uns ein entscheidendes Puzzleteil fehlt, um das Signal der Exoplaneten genau zu verstehen“, so Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki.

Magnetfeld ist das fehlende Puzzleteil
Wie die heute veröffentlichten Rechnungen zeigen, handelt es sich bei dem gesuchten Puzzleteil um das Magnetfeld des Sterns. Wie auch die Sonne erzeugen viele Sterne tief in ihrem Innern durch gewaltige Plasmaumwälzungen ein Magnetfeld. Dieses konnten die Forscher*innen nun erstmals in ihre Modellrechnungen der Randverdunklung einbeziehen. Dabei zeigte sich, dass sich die Stärke des Magnetfeldes empfindlich auswirkt: Bei Sternen mit schwachem Magnetfeld ist die Randverdunklung ausgeprägt; bei solchen mit starkem Magnetfeld fällt sie schwächer aus.

Zudem konnten die Forscher*innen belegen, dass die Diskrepanz zwischen Beobachtungsdaten und Modellrechnungen verschwindet, wenn das Magnetfeld des Sterns mitberücksichtigt wird. Dafür wandte sich das Team ausgewählten Messdaten des NASA-Weltraumteleskops Kepler zu, das von 2009 bis 2018 das Licht abertausender Sterne einfing. In einem ersten Schritt modellierten die Wissenschaftler*innen die Atmosphäre typischer Kepler-Sterne unter Beisein eines Magnetfeldes. In einem zweiten Schritt erzeugten sie dann aus diesen Rechnungen „künstliche“ Beobachtungsdaten. Wie ein Vergleich mit den echten Messdaten zeigte, gelingt es, die Kepler-Daten zu reproduzieren, wenn das Magnetfeld berücksichtigt wird.

Ebenso weitete das Team seine Überlegungen auf Messdaten des James-Webb-Teleskops aus. Dies ist in der Lage, das Licht ferner Sterne in seine verschiedenen Wellenlängen zu zerlegen und so nach den charakteristischen Anzeichen bestimmter Moleküle in der Atmosphäre der entdeckten Planeten zu suchen. Wie sich zeigt, beeinflusst das Magnetfeld des Muttersterns seine Randverdunklung in verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich – und sollte deshalb bei künftigen Auswertungen mitberücksichtigt werden, um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen.

Von Teleskopen zu Modellen
„In den vergangenen Jahrzehnten und Jahren bestand der Weg, in der Exoplanetenforschung voranzukommen, darin, die Hardware zu verbessern, also die Weltraumteleskope, die für die Suche nach neuen Welten und deren Charakterisierung entwickelt wurden. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist die aktuelle Spitze dieser Entwicklung“, so Dr. Alexander Shapiro, Koautor der aktuellen Studie und Leiter einer MPS-Forschungsgruppe, die von der Europäischen Forschungskommission (ERC) gefördert wird. „Der nächste Schritt ist es nun, die Modelle zur Interpretation dieser hervorragenden Daten zu verbessern und zu verfeinern“, fügt er hinzu.

Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, wollen die Forscher*innen ihre Analysen nun auf Sterne ausweiten, die sich deutlich von der Sonne unterscheiden. Zudem bieten ihre Erkenntnisse die Möglichkeit, in Zukunft aus den Lichtkurven von Sternen mit Exoplaneten auf die Stärke des Sternmagnetfeldes zu schließen.

Originalveröffentlichung
Nadiia M. Kostogryz, Alexander I. Shapiro, Veronika Witzke et al.:
Magnetic origin of the discrepancy between stellar limb-darkening models and observations,
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02252-5
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

Der Beitrag MPS: Ein maßgenauer Blick auf Exoplaneten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 3. April 2024.

3. April 2024 – Mithilfe großer organischer Moleküle kartierten sie den massereichen galaktischen Wind, der durch Sternentstehung und Supernovaexplosionen riesige Gasmengen ausstößt, in noch nie dagewesener Detailtiefe und fanden seinen Ursprung in den dichten Sternhaufen in der Scheibe der Galaxie. Die Studie ist ein großer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Sternentstehung in M 82 und ihrem Einfluss auf die gesamte Galaxie.

Starbursts sind Phasen rascher und effizienter Sternentstehung. Die meisten Galaxien haben in der Frühgeschichte des Universums vor mehr als 10 Milliarden Jahren solche Zeitalter der intensiven Sternentstehung durchlebt. Die Erforschung dieser Bedingungen ist jedoch aufgrund ihrer großen Entfernung schwierig. Glücklicherweise sind einige Starburst-Galaxien relativ nah und erlauben einen detaillierten Blick in diese extremen Umgebungen.

Ein galaktisches Laboratorium
Eine dieser Galaxien ist Messier 82 (M 82). Sie befindet sich in 12 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Ursa Major und ist vergleichsweise klein. Dennoch herrscht dort eine rege Sternentstehungsaktivität. Zum Vergleich: M 82 bringt zehnmal mehr neue Sterne im Jahr hervor als die Milchstraße. Vor etwa 10 Millionen Jahren lag dieses Verhältnis sogar bei 80.

„M 82 ist eine modellhafte Starburst-Galaxie mit einem wunderschönen Ausstrom aus mehreren Gaszuständen und damit ein großartiges Labor, um diese Art von extremen Umgebungen zu untersuchen“, sagt Leindert Boogaard, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und Mitautor der zugrundeliegenden Studie, die heute im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. „Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, sind aber bei kosmologischen Entfernungen schwierig zu untersuchen.“

„Unsere Forschungsgruppe untersucht den galaktischen Wind in M 82 schon seit vielen Jahren“, sagt Fabian Walter, Forschungsgruppenleiter am MPIA. Er ist ein weiterer Mitautor des Forschungsartikels. Durch die Nutzung des hervorragenden Auflösungsvermögens des JWST-Instruments NIRCam (Near-Infrared Camera) bei infraroten Wellenlängen gelang es dem Team um Alberto Bolatto (University of Maryland, USA), einen noch nie dagewesenen detaillierten Blick auf die physikalischen Bedingungen zu werfen, die die Entstehung neuer Sterne fördern.
„Bisher haben wir neben den großen Ausströmungen kaltes und heißes, ionisiertes Gas entdeckt. Die neuesten JWST-Beobachtungen ermöglichen einen neuen Blick auf die scheinbar widersprüchlichen Bedingungen mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Empfindlichkeit“, fügt Walter hinzu.

Eine lebendige Gemeinschaft von Sternen
Die Sternentstehung ist nach wie vor rätselhaft, da sie von Schleiern aus Staub und Gas umhüllt ist, was die Beobachtung dieses Prozesses erschwert. Glücklicherweise ist die Fähigkeit von JWST, in den Infrarotbereich zu blicken, ein Vorteil bei der Erkundung dieser trüben Bedingungen. Außerdem wurden diese NIRCam-Bilder des Zentrums des Starbursts in einem Instrumentenmodus aufgenommen, der verhindert, dass die gleißend helle Quelle den Detektor überblendet.

Während dunkelbraune Stränge aus schwerem Staub den glühend weißen Kern von M 82 selbst in dieser Infrarotaufnahme durchdringen, offenbart die NIRCam des JWST ein Maß an Details, das bisher verborgen war. Bei näherer Betrachtung des Zentrums zeigen kleine rote Flecken Regionen an, in denen molekularer Wasserstoff unter dem Einfluss der Strahlung eines nahen jungen Sterns aufleuchtet. Die grün dargestellten Flecken bezeichnen konzentrierte Bereiche mit Eisen, bei denen es sich meist um Supernova-Überreste handelt.

Supernova-Explosionen finden am Ende der kurzen Lebensdauer eines massereichen Sterns statt. Nach einer Epoche mit einer hohen Sternentstehungsrate führen Starbursts daher auch zu einer intensiven Ära von Supernovae. Infolgedessen tragen die Explosionen stark zu einem galaktischen Wind bei, der Gas und Staub in den Halo der Galaxie treibt. Beobachtungen, die auf bestimmte Wellenlängen beschränkt sind, machen das Material sichtbar, das weit über und unter der galaktischen Scheibe aufsteigt.

Strukturfindung unter lebhaften Bedingungen
Ein Schwerpunkt des Forschungsteams war es zu verstehen, wie dieser galaktische Wind, der durch die rasche Sternentstehung und die nachfolgenden Supernovae verursacht wird, in Gang gesetzt wird und seine Umgebung beeinflusst. Das Aufschlüsseln eines zentralen Abschnitts von M 82 ermöglichte es den Wissenschaftlern den Ursprung des Windes zu untersuchen und Einblicke in die Wechselwirkung zwischen heißen und kalten Komponenten zu gewinnen.

Das NIRCam-Instrument ist gut geeignet, um die Struktur des galaktischen Windes anhand der Emission von Molekülen, den sogenannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), zu verfolgen. PAK gelten als winzige Körnchen an der Grenze zwischen großen Molekülen und rußigen Staubpartikeln, die kühleren Temperaturen standhalten, aber unter heißen Bedingungen zerfallen.

Zur großen Überraschung des Teams verdeutlicht der neue Blick auf die PAK-Emission die Feinstruktur des galaktischen Windes – ein Aspekt, der bisher unbekannt war. Die als rote Fäden dargestellte Emission erstreckt sich von der zentralen Region weg, in der sich das Herz der Sternentstehung befindet. Eine weitere unerwartete Entdeckung war die ähnliche Struktur zwischen der PAK-Emission und derjenigen von heißem, ionisiertem Gas.

„Es überrascht, dass die Emissionsstruktur der PAK derjenigen von ionisiertem Gas ähnelt“, so Bolatto, Hauptautor der Studie. „PAKs widerstehen einer so intensiven Strahlung nicht sehr lange, vielleicht werden sie also ständig erneuert. Das stellt unsere Theorien infrage und zeigt uns, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind.“

„Es ist beeindruckend, die spektakulären Details in den Ausströmungen zu sehen, die in der PAK-Emission aufleuchten, was wiederum die Leistungsfähigkeit des JWST unter Beweis stellt“, betont Boogaard. „Die neuen Beobachtungen liefern uns wichtige Informationen darüber, wie diese Ausströmungen in Gang gesetzt werden und wie sie ihre Umgebung beeinflussen.“

Einen Weg in die Zukunft aufzeigen
Die Beobachtungen von M 82 im Nahinfrarotlicht werfen weitere Fragen zur Sternentstehung auf, von denen das Team hofft, einige mit zusätzlichen JWST-Daten beantworten zu können.

Bald wird das Team für weitere Analysen über spektroskopische Beobachtungen von M 82 mit dem JWST verfügen, sowie über ergänzende großflächige Bilder der Galaxie und des Windes. Die Spektraldaten werden den Astronominnen und Astronomen helfen, das genaue Alter der Sternhaufen zu bestimmen und ein Gefühl dafür zu bekommen, wie lange die einzelnen Phasen der Sternentstehung in der Umgebung einer Starburst-Galaxie dauern. Auf breiterer Ebene kann die Untersuchung der Aktivität in Galaxien wie M 82 das Verständnis der Astronominnen und Astronomen für das frühe Universum vertiefen.

Schließlich ist JWST in der Lage, Galaxien in allen Entfernungen zu untersuchen. Neben jungen, weit entfernten Galaxien können Astronominnen und Astronomen auch Ziele in der näheren Umgebung untersuchen, um einen detaillierten Einblick in die Prozesse zu erhalten, die hier ablaufen – Ereignisse, die auch im frühen Universum stattfanden.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Leindert A. Boogaard und Fabian Walter.

Weitere Forschende sind Alberto D. Bolatto (Department of Astronomy and Joint Space-Science Institute, University of Maryland, College Park, USA), Rebecca C. Levy (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA) und Elizabeth Tarantino (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA).

Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) ist die primäre Bildkamera des JWST, die den infraroten Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 Mikrometer abdeckt und hochauflösende Bilder und Spektroskopie für verschiedene Untersuchungen liefert. Sie ist mit Koronografen ausgestattet, Instrumenten, die es Astronominnen und Astronomen ermöglichen, Bilder von sehr schwachen Objekten um ein zentrales helles Objekt, wie z. B. Sternsysteme, zu machen. NIRCam wurde von einem Team der Universität von Arizona und dem Advanced Technology Center von Lockheed Martin gebaut.

Das JWST ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Es ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Diese Pressemitteilung basiert auf einer Version des Space Telescope Science Institute.

Originalpublikation:
Alberto D. Bolatto et al., “JWST Observations of Starbursts: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Emission at the Base of the M 82 Galactic Wind”, The Astrophysical Journal (2024).
https://arxiv.org/abs/2401.16648
pdf: https://arxiv.org/pdf/2401.16648

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Starburstgalaxien

Der Beitrag JWST blickt in das Herz einer Starburst-Galaxie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ISTA 7. März 2024.

7. März 2024 – Ein Haufen kleiner roter Punkte in einer winzigen Region unseres Nachthimmels könnte eine unerwartete Entdeckung gleich im ersten Betriebsjahr des James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) darstellen: Bisher waren diese Objekte durch die ‚Augen‘ des älteren Hubble-Weltraumteleskops nicht von normalen Galaxien zu unterscheiden. „Ohne für diesen speziellen Zweck entwickelt worden zu sein, hat uns das JWST dabei geholfen, festzustellen, dass es sich bei den lichtschwachen kleinen roten Punkten um kleine Versionen von extrem massereichen Schwarzer Löcher handelt, die sehr weit weg – in der fernen Vergangenheit des Universums – zu finden sind. Diese speziellen Himmelskörper könnten unser Verständnis der Entstehung Schwarzer Löchern verändern“, sagt Jorryt Matthee, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Hauptautor der Studie. „Die vorliegenden Ergebnisse könnten uns einen Schritt näher an die Lösung eines der größten Dilemmas der Astronomie bringen: Nach den derzeitigen Modellen sind einige supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum einfach ‚zu schnell‘ gewachsen. Wie sind sie also entstanden?“

Die kosmischen bodenlosen Gruben
Wissenschaftler:innen hielten Schwarze Löcher lange Zeit für eine mathematische Kuriosität, bis ihre Existenz immer offensichtlicher wurde. Diese seltsamen kosmischen bodenlosen Gruben könnten eine derart kompakte Masse und starke Anziehungskraft haben, dass sich ihnen nichts entziehen kann: Sie saugen alles in sich hinein, auch kosmischen Staub, Planeten und Sterne, und verformen den Raum und die Zeit um sie herum so, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Die allgemeine Relativitätstheorie, die von Albert Einstein vor über einem Jahrhundert veröffentlicht wurde, sagte voraus, dass Schwarze Löcher jede beliebige Masse haben können. Einige der faszinierendsten Schwarzen Löcher sind die supermassereichen Schwarzen Löcher, im Englischen supermassive black holes, kurz SMBH, genannt. Diese können die millionen- bis milliardenfache Masse unserer Sonne erreichen. Mittlerweile sind sich Astrophysiker:innen einig, dass sich im Zentrum fast jeder großen Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Sogar im Zentrum der Milchstraße existiert Sagittarius A*, ein SMBH, das mehr als das Viermillionenfache der Sonnenmasse hat. Für diesen Nachweis wurde der Nobelpreis für Physik 2020 verliehen.

Zu massiv, um existieren zu können
Doch nicht alle supermassereichen Schwarzen Löcher sind gleich. Während Sagittarius A* mit einem schlafenden Vulkan verglichen werden könnte, wachsen manche andere extrem schnell, indem sie astronomische Mengen an Materie verschlingen. Dadurch strahlen sie so viel Licht aus, dass sie bis an den Rand des sich immer weiter ausdehnenden Universums beobachtet werden können. Diese supermassereichen Schwarze Löcher werden als Quasare bezeichnet und gehören zu den hellsten Objekten im Universum. „Ein Problem bei Quasaren ist, dass einige von ihnen viel zu massiv zu sein scheinen, vor Allem angesichts des Alters des Universums, in dem diese Quasare beobachtet werden. Wir nennen sie die ‚problematischen Quasare‘“, sagt Matthee. „Wenn man bedenkt, dass Quasare aus den Explosionen massereicher Sterne entstehen und dass wir ihre maximale Wachstumsrate aus den allgemeinen Gesetzen der Physik kennen, sehen einige von ihnen so aus, als wären sie schneller gewachsen, als es möglich ist. Es ist wie ein fünfjähriges, aber zwei Meter großes Kind zu sehen. Irgendetwas passt also nicht zusammen“, erklärt er. Könnten supermassereiche Schwarze Löcher vielleicht noch schneller wachsen, als wir ursprünglich dachten? Oder entstehen sie einfach anders?

Kleine Versionen von riesigen Ungetümen
Jetzt haben Matthee und seine Kolleg:innen mehrere Himmelskörper identifiziert, die auf den JWST-Bildern als kleine rote Punkte erscheinen. Außerdem zeigen sie, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermassereiche Schwarze Löcher handelt, die jedoch nicht unverhältnismäßig groß sind. Entscheidend für die Feststellung, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermassereiche Schwarze Löcher handelt, war der Nachweis von Hα-Spektrallinien mit breiten Linienprofilen. Hα-Linien sind Spektrallinien im tiefroten Bereich des sichtbaren Lichts, die bei der Erhitzung von Wasserstoffatomen emittiert werden. Die Breite der Spektren spiegelt die Bewegung des Gases wider. „Je breiter die Basis der Hα-Linien ist, desto höher ist die Geschwindigkeit des Gases. Diese Spektren verraten uns also, dass wir es mit einer sehr kleinen Gaswolke zu tun haben, die sich extrem schnell bewegt und um etwas sehr Massereiches wie ein supermassereiches Schwarzes Loch kreist“, sagt Matthee. Bei den kleinen roten Punkten handelt es sich jedoch nicht um die riesigen kosmischen Monster, die man in übermäßig großen Quasaren findet. „Während die ‚problematischen Quasare‘ blau und extrem hell sind und die milliardenfache Masse der Sonne erreichen, sind die kleinen roten Punkte eher wie ‚Baby-Quasare‘. Ihre Massen liegen zwischen zehn und hundert Millionen Sonnenmassen. Außerdem erscheinen sie rot, weil sie staubig sind. Der Staub verschleiert die Schwarzen Löcher und lässt ihr Licht rot aussehen“, sagt Matthee. Aber irgendwann wird der Gasausfluss der Schwarzen Löcher den Staubkokon durchdringen, und aus diesen kleinen roten Punkten werden sich Riesen entwickeln. Der ISTA-Astrophysiker und sein Team vermuten daher, dass es sich bei den kleinen roten Punkten um kleine, rote Versionen von riesigen blauen supermassereichen Schwarzen Löchern handelt, die sich in einer frühen Entwicklungsphase befinden. „Die genauere Untersuchung dieser Baby-Quasare wird uns ermöglichen, besser zu verstehen, wie problematische Quasare zustande kommen.“

Eine bahnbrechende Technologie
Matthee und sein Team konnten die Baby-Quasare dank der Datensätze der JWST-Programme EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) und FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations) finden. Dies sind ein großes und ein mittleres JWST-Programm, an denen Matthee beteiligt war. Im vergangenen Dezember führte die Zeitschrift Physics World EIGER als einen Top 10 Durchbruch des Jahres 2023 auf. „EIGER wurde entwickelt, um speziell die seltenen blauen supermassereichen Quasare und ihre Umgebungen zu untersuchen. Das Ziel war nicht die kleinen roten Punkte zu finden, aber wir haben sie zufällig im selben Datensatz gefunden. Das liegt daran, dass EIGER mit der Nahinfrarotkamera des JWST Emissionsspektren von allen Himmelskörpern aufnimmt“, sagt Matthee. „Wenn Sie Ihren Zeigefinger heben und Ihren Arm vollständig ausstrecken, entspricht der von uns untersuchte Bereich des Nachthimmels etwa einem Zwanzigstel der Oberfläche Ihres Nagels. Bislang haben wir also wahrscheinlich nur an der Oberfläche gekratzt.“

Matthee ist zuversichtlich, dass diese Ergebnisse viele neue Forschungsrichtungen eröffnen und zur Beantwortung einiger der großen Fragen über das Universum beitragen werden. „Schwarze Löcher aller Art gehören wohl zu den interessantesten Himmelskörpern überhaupt. Es ist schwer zu erklären, warum sie existieren, aber sie sind eben da. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns helfen wird, eines der größten Rätsel des Universums zu lösen“, schließt er.

Originalpublikation:
Jorryt Matthee et al. 2024. Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei (AGN) at z ~ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys. The Astrophysical Journal. DOI: doi.org/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345/pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

Der Beitrag JWST: Wachsende supermassereiche Schwarze Löcher entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 30. November 2023.

30. November 2023 – Die detaillierten Beobachtungen sind die ersten ihrer Art und wären vor Inbetriebnahme des JWST nicht möglich gewesen. Das Ergebnis ist eine gute Nachricht für erdähnliche Planeten und für Leben im Universum: Solche Planeten können sich offenbar unter vielfältigsten Bedingungen bilden. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Astronom*innen haben Wasser- und kohlenstoffhaltige Moleküle in einer Gas- und Staubscheibe um einen jungen sonnenähnlichen Stern gefunden, der sich in einer der unwirtlichsten Regionen unserer Galaxis befindet. Scheiben dieser Art um neu entstehende Sterne sind die Orte, an denen Planeten entstehen. Sie heißen deswegen auch protoplanetare Scheiben. Ein Team von Astronom*innen unter der Leitung von María C. Ramírez-Tannus vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop einen Blick in den inneren Bereich einer solchen Scheibe geworfen – denjenigen Teilbereich, in dem sich typischerweise erdähnliche Planeten bilden: Planeten mit einer dünnen Atmosphäre rund um eine Kugel aus Gestein.

Die Scheibe, der die Astronom*innen den Namen XUE-1 gegeben haben, ist der intensiven UV-Strahlung der umliegenden heißen, massereichen Sterne in jener Region ausgesetzt. Doch selbst in dieser rauen Umgebung wurden bei den Beobachtungen sowohl Wasser als auch einfache organische Moleküle nachgewiesen. Ramírez-Tannus sagt: „Dieses Ergebnis ist unerwartet und aufregend! Es zeigt, dass selbst in den unwirtlichsten Umgebungen unserer Galaxie günstige Bedingungen für die Entstehung erdähnlicher Planeten und der Zutaten für Leben vorhanden sind.“

Detailscharfer Blick in eine massereiche Sternentstehungsregion
Die neuen Beobachtungen sind die ersten ihrer Art. Bisherige Detailbeobachtungen von protoplanetaren Scheiben waren auf uns vergleichsweise nahe Sternentstehungsgebiete beschränkt, die allerdings keine massereichen Sterne enthalten. Massereiche Sternentstehungsgebiete sind etwas ganz Anderes: Dort bilden sich zahlreiche Sterne in etwa zeitgleich, darunter auch einige der seltenen, aber extrem leuchtstarken, sehr massereichen Sterne. Während des „goldenen Zeitalters“ der Sternentstehung im Universum, vor rund 10 Milliarden Jahren, fand die meiste Sternentstehung in solchen massereichen Haufen statt. Insgesamt wurden mehr als die Hälfte aller Sterne in unserem Universum – einschließlich unserer eigenen Sonne – in massereichen Sternentstehungsgebieten geboren, zusammen mit ihren Planeten. Bisher war jedoch nichts über die Auswirkungen solch unwirtlichen Umgebungen auf die inneren Regionen von Scheiben bekannt, in denen sich vermutlich terrestrische Planeten bilden werden.

Massereiche Sterne sind zwangsläufig sehr hell und strahlen große Mengen hochenergetischer UV-Strahlung ab. Es war eine offene Frage, ob diese intensive Strahlung die Bildung von Planeten wie der Erde um sonnenähnliche Sterne stören oder sogar weitgehend verhindern würde. Wäre dies der Fall, dann wäre es zwar nicht unmöglich, aber sehr selten, dass in solchen massereichen Sternhaufen erdähnliche Planeten entstehen würden. Eine Reihe von Überlegungen wiesen genau in diese Richtung: Zum Beispiel treibt die UV-Strahlung der massereichen Sterne das Gas in den äußeren Scheibenbereichen auseinander. Das wiederum hemmt das Wachstum von Staubteilchen und ihren Weg in die inneren Scheibenbereiche. Solche Staubteilchen sind nun aber wichtige Bausteine erdähnlicher Planeten (und auch der Kerne von Riesenplaneten wie Jupiter oder Saturn). Auf diese Weise könnte die UV-Strahlung die Chancen für die Entstehung erdähnlicher Planeten deutlich vermindern.

Bisherige Beobachtungen haben nicht ausgereicht, um diese Frage zu beantworten. Im heutigen Universum sind massereiche Sternentstehungsgebiete vergleichsweise selten, und selbst die uns nächstgelegenen sind weit von uns entfernt. Bis vor kurzem gab es daher keine Möglichkeit, kleine Scheiben um sonnenähnliche Sterne hinreichend genau zu beobachten. Die wenigen protoplanetaren Scheiben, die nahe genug waren, dass sie im Detail beobachtet werden konnten, befinden sich sämtlich in ruhigen Sternentstehungsgebieten. Dort fehlt die intensive UV-Strahlung massereicher Sterne; entsprechend lässt sich die Frage nach deren schädlichem Einfluss durch die Beobachtung solcher ruhigen Gebiete gar nicht beantworten.

Mit dem JWST auf den Spuren der inneren Scheibengebiete
Die Inbetriebnahme des JWST änderte die Situation grundlegend. Sobald das Teleskop für wissenschaftliche Beobachtungen verfügbar wurde, bewarben sich Ramírez-Tannus und die XUE-Kollaboration (eXtreme UV environments, deutsch sinngemäß Regionen mit extremem Einfluss von UV-Strahlung) erfolgreich für die Beobachtung des Sternentstehungsgebiets NGC 6357. Mit einer Entfernung von 5500 Lichtjahren von der Erde ist dies eines der nächstgelegenen massereichen Sternentstehungsgebiete. Es ist auch das vielversprechendste Beobachtungsziel für die Beantwortung der Frage nach dem möglichen Einfluss von UV-Strahlung auf die inneren Gebiete der Scheibe: NGC 6357 enthält rund ein Dutzend leuchtkräftiger, massereicher Sterne, die dafür sorgen, dass einige der in der Region sichtbaren planetenbildenden Scheiben während des größten Teils ihrer Existenz intensiver UV-Strahlung ausgesetzt waren. Auch die Vielfalt ist ein wichtiger Faktor: Die Region enthält eine Vielzahl von Scheiben, von denen einige mehr, andere weniger Strahlung ausgesetzt waren und sind. „Wenn intensive Strahlung die Bedingungen für die Planetenbildung in den inneren Regionen protoplanetarer Scheiben erschwert, dann ist NGC 6357 der Ort, an dem wir diesen Effekt sehen sollten“, sagt Arjan Bik von der Universität Stockholm, Co-PI (Co-Principal Investigator, entsprechend einem stellvertretenden Projektleiter) der XUE-Kollaboration und Zweitautor der Studie.

Die Beobachtungsdaten, die in diesem Falle aufgenommen werden, sind sogenannte Spektren, also regenbogenartige Zerlegungen des Lichts, die Schätzungen über das Vorhandensein bestimmter Moleküle in der beobachteten Region ermöglichen. Zu ihrer Überraschung stellten Ramírez-Tannus und ihre Kollegen fest, dass sich zumindest eine der Scheiben in NGC 6357, eben XUE-1, in Bezug auf das Vorhandensein (und die Eigenschaften) von Schlüsselmolekülen in den inneren Scheibenregionen nicht grundlegend von ihren Gegenstücken in massearmen Sternentstehungsgebieten unterscheidet.

Siliziumverbindungen, Wasser und andere Moleküle in unwirtlicher Umgebung
„Wir haben in den innersten Regionen von XUE-1 eine Fülle von Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Cyanwasserstoff und Acetylen gefunden“, sagt Ramírez-Tannus. „Dies liefert wertvolle Hinweise darauf, wie die ursprünglichen Atmosphären der entstehenden erdähnlichen Planeten zusammengesetzt sein dürften.“ Die Forscher fanden auch Silikatstaub in ähnlichen Mengen wie in massearmen Sternentstehungsgebieten. Dies ist das erste Mal, dass solche Moleküle unter solchen extremen Bedingungen nachgewiesen wurden.

Diese Beobachtungen sind eine gute Nachricht für erdähnliche Planeten und für das Leben im Universum allgemein: Offenbar können sich in den inneren Regionen protoplanetarer Scheiben um sonnenähnliche Sterne selbst in den unwirtlichsten Sternentstehungsgebieten in ähnlicher Weise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden wie in den ruhigeren, masseärmeren Gebieten. Die entsprechenden Scheibenregionen sind sogar reich an Wasser, einer notwendigen Zutat für Leben, wie wir es kennen. Ob dies insgesamt zu einer großen Anzahl von erdähnlichen Planeten führt, die in solchen Umgebungen entstehen, können die Forscher nicht anhand einer einzigen Scheibe feststellen. Die XUE-Kollaboration geht mit ihren Beobachtungen daher jetzt noch einen Schritt weiter: mit einer JWST-Durchmusterung von 14 weiteren Scheiben in verschiedenen Teilen von NGC 6357, mit der die Forscher*innen der Klärung der Frage nach der Gesamtanzahl erdähnlicher Planeten einen großen Schritt näher kommen dürften.

Hintergrundinformationen
Die beteiligten MPIA-Forscher sind María Claudia Ramírez-Tannus, Thomas Henning, Giulia Perotti, Roy van Boekel und Sierk E. van Terwisga, in Zusammenarbeit mit Arjan Bik (Universität Stockholm), Lars Cuijpers (Radboud Universität), Rens Waters (Radboud Universität und SRON) und weiteren Kollegen.

Originalpublikation
María Claudia Ramirez-Tannus, „XUE. Molecular inventory in the inner region of an extremely irradiated Protoplanetary Disk“, Astrophysical Journal Letters (2023)
https://arxiv.org/abs/2310.11074
pdf: https://arxiv.org/pdf/2310.11074

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Planetenentstehung

Der Beitrag Wasser und erdähnliche Planeten auch in unwirtlichen kosmischen Regionen 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.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag Uni Wien: „Flauschiger Exoplanet“ erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Eines der größten Hindernisse bei der Suche nach Exoplaneten, die der Erde ähneln, sind ihre Sterne. Helligkeit und Wellenlängen des Sternenlichts schwanken mitunter stark. Das macht es selbst modernsten Teleskopen schwer, darin Hinweise auf erdähnliche Planeten und ihre lebensfreundlichen Atmosphären zu entdecken. Das gemeinsame Forschungsprojekt REVEAL des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS), der University of St Andrews (Vereinigtes Königreich), des Massachusetts Institute of Technology (USA) und des Space Telescope Science Institute (USA) bringt nun führende Expert*innen für Exoplaneten und für stellare Aktivität zusammen, um dieses Problem zu überwinden. Ziel ist es zu entwirren, welche Spuren im Sternlicht auf einen lebensfreundlichen Exoplaneten deuten und welche Ausdruck des Sterns selbst sind. Der Europäische Forschungsrat (Englisch: European Research Council, ERC) fördert das Projekt in den nächsten sechs Jahren mit einem Synergy Grant. Auf lange Sicht kann REVEAL dazu beitragen, eine der ältesten Fragen der Menschheit zu beantworten: Sind wir allein im Universum?

Die Exoplaneten, die viele Forschende am meisten interessieren, sind am schwersten zu finden. Gesteinsplaneten außerhalb unseres Sonnensystems, die der Erde gleichen und zudem möglicherweise lebensfreundliche Umweltbedingungen aufweisen, sind im Vergleich zu den meisten bekannten Exoplaneten von eher bescheidener Größe – und somit deutlich schwerer aufzuspüren. Zwar ist es in den vergangenen Jahrzehnten modernen Teleskopen auf der Erde und im Weltraum zunehmend gelungen, auch kleinere Planeten zu entdecken. Doch seit einigen Jahren stockt diese Entwicklung. Erdzwillinge, die um sonnenähnliche Sterne kreisen, bleiben auch mit dem neusten Stand der Technik schwer zu fassen. Und nach Hinweisen auf Gase, die auf Leben hindeuten, in den Atmosphären der planetaren Winzlinge zu suchen, ist selbst mit dem im vergangenen Jahr in Betrieb genommenen James-Webb-Teleskop der NASA kaum möglich.

Der Hauptgrund für diese Schwierigkeiten liegt in der Natur der Sterne selbst. Wie auch die Sonne leuchten sie nicht immer gleich: Dunkle Flecken und helle Bereiche überziehen ihre Oberfläche mal mehr, mal weniger zahlreich; und auch das Muster, das aufsteigendes heißes Plasma aus dem Innern eines Sterns an seiner Oberfläche erzeugt, ist ständig in Bewegung. „Die Variabilität vieler sonnenähnlicher Sterne ist deutlich stärker als die der Sonne“, erklärt Dr. Alexander Shapiro vom MPS, einer der drei wissenschaftlichen Leiter von REVEAL. „Besonders im Fall kleiner, erdähnlicher Planeten überdeckt die stellare Aktivität die Spuren, die der Planet und seine Atmosphäre im Sternenlicht hinterlassen“, fügt er hinzu.

Um das Problem zu lösen, so der Ansatz von REVEAL, muss zunächst das Verhalten der Sterne genau verstanden werden. In einem ersten Schritt planen die Forscher*innen deshalb, die stellare Aktivität für eine große Vielfalt von Sternen zu modellieren und am Computer zu simulieren. In einem zweiten Schritt berechnen sie, wie sich diese Aktivität auf das Licht auswirkt, das Teleskope von diesen Sternen einfangen. Nur auf diese Weise ist es möglich, echte Messdaten zu verstehen und zu trennen, welche Spuren darin von Exoplaneten und ihren Atmosphären stammen und welche auf den Stern selbst zurückzuführen sind.

Um diese anspruchsvolle Aufgabe zu meistern, bringt REVEAL führende Expert*innen sowohl aus dem Bereich der stellaren Aktivität als auch aus der Exoplanetenforschung zusammen. Während sich die Forschergruppe um Prof. Dr. Andrew Collier Cameron von der University of St Andrews mit dem Aufspüren und Charakterisieren von Exoplaneten mit Hilfe erdgebundener Spektrometer beschäftigt, sucht die Gruppe um Prof. Dr. Sara Seager vom Massachusetts Institut of Technology in den USA nach Hinweisen auf lebensfreundliche Atmosphären in Messdaten des James-Webb-Teleskops der NASA. Für die stellaren Simulationen mit Hilfe komplexer magnetohydrodynamischer Modelle ist die Arbeitsgruppe von Dr. Alexander Shapiro am MPS verantwortlich. Zusätzliche Erfahrung mit der Beobachtung stellarer Aktivität bringt die Partnergruppe um Dr. Jeff Valenti vom Space Telescope Science Institute in den USA ein.

„Nur durch die gemeinsame Expertise von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen der stellaren Physik und der Exoplanetenphysik können wir dem Ziel näherkommen, endlich eine der aufregendsten Suchen der modernen Astronomie abzuschließen – der Suche nach bewohnbaren Welten außerhalb unseres Sonnensystems“, so Dr. Alexander Shapiro.

Der ERC unterstützt das Projekt REVEAL (Revealing Signatures of Habitable Worlds Hidden by Stellar Activity) in den nächsten sechs Jahren mit fast 9,5 Millionen Euro im Rahmen eines ERC Synergy Grants. Die ERC Synergy Grants sind besonders ambitionierten Forschungsprojekten vorbehalten, die so umfangreich sind und so vielfältiges Fachwissen erfordern, dass sie nicht von einer einzelnen Forschungsgruppe bearbeitet werden können. Von insgesamt 395 Bewerbungen wurden in der aktuellen Förderrunde nur 37 Projekte zur Förderung ausgewählt.

Das MPS erhält bereits zum zweiten Mal einen ERC Synergy Grant. 2018 förderte der ERC auf diese Weise das Projekt WHOLESUN, das dem Ursprung der magnetischen Aktivität der Sonne nachgeht. Auch für Dr. Alexander Shapiro vom MPS ist dies bereits das zweite Mal, dass er mit einem Grant des ERC ausgezeichnet wird. Im Jahr 2017 erhielt er einen ERC Starting Grant, um Helligkeitsschwankungen der Sonne und von Sternen zu untersuchen.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

Der Beitrag MPS: ERC Synergy Grant für Forschungsprojekt REVEAL erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität zu Köln 10. Oktober 2023.

10. Oktober 2023 – Ein internationales Team um Dr. Florian Peißker vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln hat einen jungen Sternhaufen in der direkter Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs SagittariusA* (SgrA*) im Zentrum unserer Galaxie im Detail analysiert und gezeigt, dass er deutlich jünger ist als erwartet. Dieser Sternhaufen, bekannt als IRS13, wurde zwar bereits vor über zwanzig Jahren entdeckt, aber erst jetzt ist es durch die Kombination verschiedenster Daten – aufgenommen mit einer Vielzahl von Teleskopen über einen Zeitraum mehrerer Dekaden – gelungen, die Sternhaufenmitglieder im Detail zu bestimmen.

Die Sterne sind einige 100.000 Jahre alt und damit für stellare Verhältnisse außerordentlich jung. Zum Vergleich: unsere Sonne ist ca. 5 Milliarden Jahre alt. Eigentlich sollte es aufgrund der hochenergetischen Strahlung wie auch der Gezeitenkräfte der Galaxie nicht möglich sein, dass sich eine derart große Anzahl so junger Sterne in der direkten Umgebung zum supermassiven Schwarzen Loch befindet. Die Studie wurde unter dem Titel „The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. I. Detection of a Rich Population of Dusty Objects in the IRS13 Cluster“ im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.

In Zusammenhang mit der aktuellen Studie wurde zudem ein weiteres herausragendes Ergebnis publiziert. Zum ersten Mal wurde mit dem James Webb-Weltraumteleskop (JWST) ein Spektrum, frei von atmosphärischer Störung, vom galaktischen Zentrum aufgenommen. Ein Prisma an Bord des Teleskops wurde am Institut für Astrophysik in der Arbeitsgruppe um Professor Dr. Andreas Eckart, einem Koauthor der Publikation, entwickelt. Das nun vorliegende Spektrum zeigt, dass sich im galaktischen Zentrum Wassereis befindet. Dieses Wassereis, welches sich häufig in den staubigen Scheiben um sehr junge stellare Objekte befindet, ist ein weiterer unabhängiger Indikator für das junge Alter einiger Sterne nahe des Schwarzen Lochs.

Neben dem unerwarteten Nachweis von jungen Sternen und Wassereis durch das JWST haben die Forscher*innen um Dr. Peißker auch festgestellt, dass IRS13 eine turbulente Entstehungsgeschichte hinter sich hat. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass IRS13 durch Reibung mit dem interstellaren Medium, Kollisionen mit anderen Sternhaufen oder interner Prozesse in Richtung des supermassiven Schwarzen Lochs wanderte. Ab einer gewissen Entfernung wurde der Sternhaufen dann von der Gravitation des Schwarzen Lochs „eingefangen“. Bei diesem Prozess könnte sich an der Spitze des Sternhaufens eine Bugstoßwelle aus dem Staub gebildet haben, der den Haufen umgibt – ähnlich wie bei der Spitze eines Schiffs im Wasser. Die damit verbundene Dichtezunahme des Staubs regte daraufhin weitere Sternentstehung an. Dies ist eine Erklärung, warum diese jungen Sterne vor allem in der Spitze bzw. Front des Sternhaufens zu finden sind.

„Die Analyse von IRS13 sowie die damit einhergehende Interpretation des Sternhaufens ist der erster Versuch, ein Jahrzehnte altes Rätsel über die unerwartet jungen Sterne im galaktischen Zentrum zu lüften“, so Dr. Peißker. „Denn neben IRS13 gibt es einen Sternhaufen, den sogenannten S-cluster, der sich noch näher am Schwarzen Loch befindet und ebenfalls aus jungen Sternen besteht. Sie sind ebenfalls deutlich jünger als es nach akzeptierten Theorien möglich wäre.“

Die gewonnen Erkenntnisse über IRS13 bieten in weiterer Forschungsarbeit die Gelegenheit, eine Verbindung zwischen der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs und Regionen in mehreren Lichtjahren Entfernung herzustellen. Dr. Michal Zajaček, Zweitautor der Studie und Wissenschaftler an der Masaryk-Universität in Brünn (Tschechien), fügt hinzu: „Der Sternhaufen IRS13 scheint der Schlüssel zu sein, um den Ursprung der dichten Sternpopulation im Zentrum unserer Galaxie zu enträtseln. Wir haben umfangreiche Beweise dafür gesammelt, dass sehr junge Sterne in der Reichweite des supermassereichen Schwarzen Lochs in Sternenhaufen wie IRS13 entstanden sein könnten. Dies ist auch das erste Mal, dass wir Sternpopulationen unterschiedlichen Alters – heiße Hauptreihensterne und noch junge entstehende Sterne – in dem Haufen so nahe am Zentrum der Milchstraße unterscheiden können.“

Publikation:
DOI 10.3847/1538-4357/acf6b5
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5/pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Sternhaufen

Der Beitrag Stellarer Jungbrunnen mit turbulenter Entstehungsgeschichte im Zentrum unserer Galaxie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: MPIA 14. September 2023.

14. September 2023 – Das etwa 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Objekt im Sternbild Perseus ist einer der jüngsten und nächstgelegenen Gasströme eines Protosterns und damit ein ideales Ziel für das JWST.

Herbig-Haro-Objekte umgeben neugeborene Sterne und entstehen, wenn Sternwinde oder Gasströme, die von diesen neugeborenen Sternen ausgehen, Stoßwellen bilden, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit mit Gas und Staub in der Nähe zusammenstoßen. Eine neue, faszinierende JWST-Aufnahme von HH 211 zeigt den Ausstrom eines Protosterns der Klasse 0, eines frühen Gegenstücks zu unserer Sonne, das erst einige zehntausend Jahre alt ist und nur 8 % der Masse der heutigen Sonne hat (es wird irgendwann zu einem sonnenähnlichen Stern heranwachsen). Protosterne haben noch nicht das Stadium der Kernfusion erreicht.

Infrarotaufnahmen sind bei der Untersuchung neugeborener Sterne und ihrer Ausströmungen sehr hilfreich, da solche Sterne immer noch in die Gaswolke eingebettet sind, aus der sie entstanden sind. Die Infrarotstrahlung der Ströme durchdringt das trübende Gas und den Staub und macht ein Herbig-Haro-Objekt wie HH 211 ideal für die Beobachtung mit den empfindlichen Infrarotinstrumenten des JWST. Moleküle, die durch die turbulenten Bedingungen angeregt werden, darunter molekularer Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Siliziummonoxid, emittieren infrarotes Licht, das JWST erfassen kann, um die Struktur der Ausströmungen zu kartieren.

Das Bild zeigt eine Reihe von Bugstoßwellen, also durch Gas­kollisionen ausgelöste Strahlung, im Süd­osten (unten links) und Nordwesten (oben rechts) sowie den eingebetteten schmalen bipolaren Jet, der sie antreibt, in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit – eine etwa fünf- bis zehnmal höhere räumliche Auf­lösung als alle bisherigen Bilder von HH 211. Diese Serie von angeregten Stoßwellen deutet auf eine epi­soden­hafte Frei­setzung von Gas hin, die in direktem Zu­sammen­hang mit dem Wachs­tum des Proto­sterns durch einfallenden Staub und Gas steht.

Der innere Jet „wackelt“ spiegelsymmetrisch auf beiden Seiten des zentralen Protosterns. Dies stimmt mit Beobachtungen auf kleineren Größenordnungen überein und deutet darauf hin, dass es sich bei dem Protostern tatsächlich um einen unaufgelösten Doppelstern handeln könnte.

„Solche Beobachtungen mit dem JWST liefern nicht nur atem­beraubende Bilder. Sie geben uns auch ein Werk­zeug in die Hand, mit dem wir die Ent­wicklung der direkten Vorgänger von Sternen in noch nie dagewesener Detail­genauigkeit untersuchen können“, sagt Thomas Henning, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. „Damit liefern die Beobachtungen unschätzbare Informationen für unser Verständnis der Sternentstehung.“

Frühere Beobachtungen von HH 211 mit bodengebundenen Teleskopen zeigten Gasbewegungen entlang des Ausflusses, indem sie eine Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung maßen. Nun fand das Team riesige rotverschobene (nordwestlich) und blauverschobene (südöstlich) Bugstoßwellen und hohlraumartige Strukturen im Licht des angeregten Wasserstoffs bzw. Kohlenmonoxids sowie einen knotenreichen und schlängelnden doppelseitigen Jet im Licht des Siliziummonoxids. Mit diesen neuen Beobachtungen mit NIRCam und NIRSpec an Bord des JWST fanden die Forschenden heraus, dass der Gasstrom des Objekts im Vergleich zu ähnlichen, aber weiter entwickelten Protosternen, relativ langsam ist.

Das Team maß die Geschwindigkeit der innersten Jetstrukturen auf etwa 80 bis 100 Kilometer pro Sekunde. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen diesen Abschnitten des Ausflusses und dem vorgelagerten Material, mit dem sie kollidieren – die Geschwindigkeit der Stoßwelle – ist jedoch viel geringer. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Ausströmungen der jüngsten Sterne, wie die im Zentrum von HH 211, hauptsächlich aus Molekülen bestehen, da die Stoßwellengeschwindigkeiten vergleichsweise niedrig sind und die Energie nicht ausreicht, um die Moleküle in einfachere Atome und Ionen aufzuspalten.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Forschung beteiligten MPIA-Forscher sind H. Beuther (Co-I), Th. Henning, und M. Güdel (ebenfalls ETH Zürich, Schweiz und Universität Wien, Österreich).

Die Astronomen beobachteten HH 211 im Rahmen des JWST Cycle 1 Observation Program 1257, „The Young Protostellar Outflow HH211“ (PI: Thomas Ray).

Das Weltraumteleskop James Webb (JWST) ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) und der Nahinfrarotspektrograf (NIRSpec) sind zwei der vier wissenschaftlichen Instrumente des JWST. NIRCam ist der primäre Nahinfrarot-Bildgeber des JWST und liefert hochauflösende Bilder und Spektroskopie für eine Vielzahl von Untersuchungen. NIRSpec bietet niedrig-, mittel- und hochauflösende spektroskopische Beobachtungen im nahen Infrarot (von 0,6 bis 5,0 Mikrometer). Er wurde von der europäischen Industrie nach den Spezifikationen der ESA gebaut. Das MPIA lieferte die Mechanismen für die Filter- und Gitterräder.

Diese Pressemitteilung basiert auf einem ähnlich lautenden Artikel von ESA und STScI/NASA.

Originalveröffentlichung
T. P. Ray et al.
Outflows from the Youngest Stars are Mostly Molecular
Nature (2023)
DOI: dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06551-1
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06551-1

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag JWST knipst Überschall-Gasjet eines jungen Sterns erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Wien 24. Juli 2023.

Wien, 24. Juli 2023 – Die internationale MINDS-Forschungsgruppe hat mit dem Weltraumteleskop James Webb Wasser in der inneren Region einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern entdeckt. Gewöhnlich bilden sich in dieser Zone erdähnliche Planeten. Erstmals wurde in einer Scheibe dieser Art, die bereits mindestens zwei Planeten beherbergt, auch Wasser entdeckt. Etwaige Gesteinsplaneten, die in der inneren Scheibe entstehen, würden unmittelbar von einem beträchtlichen Wasserreservoir profitieren, was die Chancen auf eine spätere Lebensfreundlichkeit verbessern würde. In der kürzlich in Nature erschienen Studie berichten die Astronom*innen von ihrer Entdeckung, ein Hinweis auf einen Mechanismus, der potenziell lebensfreundliche Planeten während ihrer Entstehung mit Wasser versorgt. Auch Astrophysiker Manuel Güdel von der Universität Wien ist Mitglied der MINDS-Gruppe.

Wasser ist für das Leben auf der Erde unerlässlich. Wie genau das Wasser auf die Erde oder erdähnliche Exoplaneten gelangt ist, wird jedoch unter Astronom*innen noch diskutiert. Die bisher am weitesten verbreitete Erklärung dafür: Wasserhaltige Asteroiden bombardieren die Oberfläche eines jungen Planeten und bringen so das Wasser dorthin. Die neue Entdeckung lässt nun eine andere Erklärung zu: „Wir haben jetzt möglicherweise Beweise dafür gefunden, dass Wasser eines der frühesten Bestandteile von Gesteinsplaneten sein könnte und bereits bei ihrer Geburt vorhanden ist“, sagt Giulia Perotti, Hauptautorin der Studie und Astronomin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland.

Wasser in der inneren Scheibe von PDS 70
Durch Beobachtungen mit MIRI (Mid-InfraRed Instrument) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) entdeckten Astronom*innen Wasser in der Nähe des Zentrums der Scheibe um den jungen Stern PDS 70, 370 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Studie zufolge handelt es sich bei dem Wasser um heißen Dampf mit einer Temperatur von glühenden 330 Grad Celsius (600 Kelvin).

„Der erstmalige Nachweis von Wasser in dieser Zone einer planetenbildenden Scheibe ist äußerst spannend, da er damit auch erste Hinweise liefert, dass die Erde in ihrer Entstehungsphase trotz der Anwesenheit der riesigen Gasplaneten Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem wohl nicht vom Wassernachschub abgetrennt war“, erklärt Manuel Güdel. Er ist Mitautor des zugrunde liegenden Artikels, Co-PI (Principal Investigator) von MIRI und Mitglied des Forschungsprogramms MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey).

Bislang gibt es noch keine Hinweise auf Planeten in der Nähe des Zentrums der PDS 70-Scheibe. Stattdessen umkreisen zwei Gasriesenplaneten weiter draußen, PDS 70 b und c, den Stern. Bisher wurde angenommen, dass die Riesenplaneten im PDS-70-System, oder ähnlich auch Jupiter und Saturn in der Entstehungsphase unseres Sonnensystems, große Mengen des Scheibenmaterials zu ihrem eigenen Aufbau wegerodieren und damit auch den Wassernachschub von außen in die innere Scheibenzone stoppen.

PDS 70 ist die erste relativ alte Scheibe – etwa 5,4 Millionen Jahre alt – in der Forschende Wasser gefunden haben. Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt von planetenbildenden Scheiben ab. Entweder entfernen die Strahlung oder der Wind des Zentralsterns Material wie Staub und Gas, oder der Staub wächst zu größeren Objekten heran, die schließlich Planeten bilden. Da frühere Studien kein Wasser in den zentralen Regionen ähnlich entwickelter Scheiben nachweisen konnten, vermuteten die Astronom*innen, dass es die harte Sternstrahlung nicht überleben könnte, was zu trockenen Umgebungen während der Entstehung von Gesteinsplaneten führen würde. Dennoch haben die Astronom*innen nun Wasserdampf in der Scheibe entdeckt.

Woher kommt das Wasser?
Da der Wasserfund für die Forscher*innen eher unerwartet war, stellen sie sich nun die Frage, wie das Wasser in die sternnahen Regionen der Scheibe gekommen sein könnte. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Wasser ein Überbleibsel eines ursprünglich wasserreichen Nebels ist, der dem Scheibenstadium vorausging. Eine weitere Quelle könnte Gas sein, das von den äußeren Rändern der Scheibe von PDS 70 einströmt. Unter bestimmten Umständen können sich Sauerstoff- und Wasserstoffgas verbinden und Wasserdampf bilden.

„Die Wahrheit liegt wahrscheinlich in einer Kombination aus all diesen Möglichkeiten“, sagt Perotti. „Dennoch ist es wahrscheinlich, dass einer dieser Mechanismen eine entscheidende Rolle beim Auffüllen des Wasserreservoirs der PDS 70-Scheibe spielt. In Zukunft wird es darum gehen, herauszufinden, welcher das ist.“

Fest steht jedenfalls, dass ein solches Szenario die Chancen verbessern könnte, Gesteinsplaneten mit reichlich Wasser zu finden, auf denen Leben möglich ist. Die Fortschritte des MINDS-Programms werden schließlich zeigen, ob Wasser in den planetenbildenden Zonen der entwickelten Scheiben um junge Sterne häufig vorkommt oder ob PDS 70 lediglich eine Ausnahme darstellt. Momentan wartet das Team auf eine weitere Reihe von JWST-Beobachtungen, die detaillierte Bilder der inneren Scheibe von PDS 70 liefern werden. Damit will das Team noch genauer feststellen, wie nahe am Stern Wasser vorhanden ist.

„Die JWST-Beobachtung von PDS 70 trägt substantiell zu unserem Verständnis habitabler Planeten bei, also Planeten, auf denen nach unserem Verständnis Leben auf der Oberfläche entstehen und gedeihen kann. Bisher gehen wir davon aus, dass Wasser eine unbedingte Voraussetzung für Leben ist. Dass Wasser schon in der Entstehungsphase erdähnlicher Planeten nahe beim Stern in großen Mengen zur Verfügung steht, eröffnet neue Wege zu belebbaren Planeten“, erklärt Manuel Güdel von der Universität Wien.

Hintergrundinformationen
Das MINDS-Team beobachtete PDS 70 im Rahmen des JWST Guaranteed Time Observation (GTO) Programms 1282, „MIRI EC Protoplanetary and Debris Disks Survey“. Manuel Güdel ist Co-PI des MIRI-Instruments und ist gegenwärtig in dieser Eigenschaft zusätzlich mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und mit der ETH Zürich affiliiert.

Originalpublikation:
G. Perotti et al., „Water in the terrestrial planet-forming zone of the PDS 70 disk“, Nature (2023).
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9,
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9.pdf;

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

Der Beitrag Wasser in einer Zone entdeckt, in der gewöhnlich Gesteinsplaneten entstehen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 6. Juli 2023.

6. Juli 2023 – Über den Polen des Gasriesen Jupiters leuchten fortwährend Polarlichter von riesigem Ausmaß. Das malerische Phänomen prägt die Vorgänge in der Atmosphäre des Gasriesen stärker als bisher gedacht, wie eine Gruppe von Forschenden, zu denen auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen zählen, heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy berichtet. Mit Hilfe von Messdaten des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) in Chile und des International Gemini Observatory auf Hawaii beschreibt das Forscherteam die Verteilung von Kohlenmonoxid und Blausäure in der Jupiteratmosphäre in bisher unerreichter Genauigkeit und räumlicher Auflösung. Dabei stechen die Regionen unterhalb der Polarlichter besonders heraus. Möglich wurden die neuen Erkenntnisse durch einen kosmischen Zusammenstoß, der sich vor fast 30 Jahren ereignete.

Das Eintauchen der insgesamt 21 Bruchstücke des Kometen Shoemaker-Levy 9 in den Jupiter im Juli 1994 war ein spektakuläres Ereignis. Da sich die Kollision schon Jahre zuvor vorhersagen ließ, konnten leistungsstarke Teleskope auf der Erde und im Weltraum den Zusammenstoß und seine Auswirkungen genau mitverfolgen. Als markante, schwarze, wolkenartige Gebilde zeigen sich die Einschlagstellen etwa auf Aufnahmen des Hubble Weltraumteleskops.

Weitere Messungen ergaben, dass der Komet zahlreiche Molekülarten wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Blausäure in die Jupiteratmosphäre eintrug, die dort zuvor nicht heimisch waren. Da diese Moleküle über viele Jahrzehnte stabil bleiben, boten die „Fremdkörper“ Forschenden eine einzigartige Gelegenheit: Über viele Jahre konnten sie beobachten, wie sich die Moleküle über den Jupiter verteilen und so wertvolle Einblicke in die Winde und chemischen Reaktionen in der Atmosphäre des Gasriesen gewinnen. Die Messungen von 2017, die Forschende unter Leitung der Universität von Bordeaux jetzt ausgewertet haben und heute veröffentlichen, zeichnen die Verteilung des eingetragenen Kohlenmonoxids und der Blausäure in bisher unerreichter Genauigkeit nach.

Das Forscherteam hat auf diese Weise den gesamten Planeten kartiert und dabei auch die Polarregionen des Jupiters in hoher Auflösung erfasst. Diese sind Schauplatz seiner gewaltigen Polarlichter, die sich über eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 40.000 Kilometern erstrecken. (Zum Vergleich: Die Erde hat einen Durchmesser von etwa 12.700 Kilometern.) In deutlich kleinerer Ausführung ist dieses Phänomen auch auf der Erde bekannt. Wenn in Phasen starker Sonnenaktivität hochenergetische Sonnenwindteilchen entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes auf die irdische Atmosphäre treffen, werden dort in einer Höhe von 100 bis 1000 Kilometern Moleküle ionisiert. Als Folge emittieren diese Licht verschiedener Wellenlängen und erzeugen so das diffuse Leuchten in Grün-, Blau- und seltener Rottönen. Auch auf dem Jupiter erzeugt ein Zusammenspiel aus geladenen Teilchen, Magnetfeld und Atmosphäre die Polarlichter. Allerdings ist das Magnetfeld des Jupiters etwa zwanzigmal stärker als das der Erde; die Polarlichter leuchten in allen Wellenlängenbereichen vom Infraroten bis hin zur Röntgenstrahlung. Zudem sind die Polarlichter des Jupiters – anders als die der Erde – eine ständige Erscheinung. Als Auslöser werden neben Sonnenwindteilchen auch Teilchen vermutet, die den heftigen Vulkanausbrüchen des Jupitermondes Io entstammen.

„Die Polarlichter des Jupiters faszinieren Forscher, die sich mit der Dynamik und Chemie der Jupiteratmosphäre beschäftigen, schon seit Langem“, so Dr. Paul Hartogh vom MPS, Koautor der aktuellen Studie. Im vorvergangenen Jahr etwa berichtete ein Forscherteam, zu dem neben Paul Hartogh zwei weitere Wissenschaftler vom MPS zählten, von stabilen stratosphärischen Winden, die unterhalb der Polarlichter wehen. „Wir denken, dass uns die Moleküle, die der Komet vor fast 30 Jahren in die Jupiteratmosphäre eingetragen hat, helfen können, die Vorgänge im Bereich der Polarlichter besser zu verstehen“, so Dr. Ladislav Rezac vom MPS, Zweitautor der aktuellen Studie und Koautor der Studie von vor zwei Jahren. Mit Hilfe von Messungen vom Radioteleskop ALMA der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste und des International Gemini Observatory auf Hawaii von 2017 konnte die Forschergruppe nun die Verteilung von Kohlenmonoxid und Blausäure in der Jupiteratmosphäre genau untersuchen. Im Vergleich zu älteren Studien, die auf den Messungen anderer bodengebundener Teleskope beruhen, bieten diese Messdaten eine deutlich höhere räumliche Auflösung.

Wie die Auswertungen nun genau belegen, haben sich beide Molekülsorten seit des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levy 9 im Jahr 1994 in ähnlicher Weise weit in der Jupiteratmosphäre verteilt und bevölkern mittlerweile auch einen ausgedehnten Höhenbereich. In der Region unterhalb der Polarlichter fand das Forscherteam allerdings eine unerwartete Auffälligkeit: Dort zeigen die Messungen deutlich weniger Blausäure als erwartet. „Da beide gemessenen Molekülsorten den gleichen dynamischen Kräften wie etwa Winden unterliegen, bedeutet dies, dass die Blausäure durch andere Mechanismen beeinflusst wird“, so Dr. Ladislav Rezac. Winde hätten beide Molekülsorten in gleicher Weise verteilt. „Stattdessen muss es offenbar einen chemischen Vorgang geben, an dem nur die Blausäure beteiligt ist und der nur unterhalb der Polarlichter auftritt“, schlussfolgert der Forscher.

Die Erklärungen der Forschenden drehen sich vor allem um winzige Aerosole, die sich im Bereich der Polarlichter bilden. Angeregt durch elektromagnetische Strahlung im Höhenbereich der Polarlichter bilden sich einfache Kohlenwasserstoffe, die zu komplexeren Kohlenwasserstoffketten wie Benzol anwachsen, bis sich schließlich gasförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff (PAHs) bilden. Diese kondensieren nach und nach und die so entstandenen Aerosole sinken in niedrigere Schichten der Stratosphäre. Chemische Reaktionen auf diesen Aerosolen führen zur Zerstörung der Blausäure. Dieser Mechanismus erinnert an die Ozonzerstörung in der polaren Erdstratosphäre durch chemische Reaktionen auf polaren Stratosphärenwolken.

„Aerosole spielen offenbar in der Atmosphärenchemie der polaren Jupiterstratosphäre eine wichtige Rolle, ähnlich wie in der polaren Erdstratosphäre“, so Dr. Paul Hartogh. Um die Zusammenhänge besser zu verstehen, hoffen die Forscher nun auf Messungen des James-Webb-Weltraumteleskops, das seit vergangenem Jahr in Betrieb ist. Das Teleskop ist in der Lage, die Verteilung von Kohlendioxid in der Jupiteratmosphäre mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Und auch die Weltraummission JUICE dürfte genauere Erkenntnisse liefern. Die gleichnamige ESA-Raumsonde, die seit April dieses Jahres den Jupiter ansteuert, trägt das Submillimetre Wave Instrument (SWI) an Bord. Es wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut und wird vor Ort im Jupitersystem ab 2031 einen besonders guten Blick auf die Vorgänge in der Atmosphäre des Gasriesen haben. So wird etwa die räumliche Auflösung der Messdaten von SWI die von ALMA um das Hundertfache übertreffen; zudem wird SWI weitere Spurengase, die auf den Kometeneinschlag zurückzuführen sind, wie etwa Schwefelkohlenstoff detektieren können.

Originalpublikation:
T. Cavalié, L. Rezac et al.:
Evidence for auroral influence on Jupiter’s nitrogen and oxygen chemistry revealed by ALMA,
Nature Astronomy, 6. Juli 2023
DOI: 10.1038/s41550-023-02016-7
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02016-7

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Planet Jupiter

Der Beitrag MPS: Jupiters riesige Polarlichter beeinflussen Stratosphärenchemie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität zu Köln 27. Juni 2023.

27. Juni 2023 – Das James Webb-Weltraumteleskop hat das Kohlenwasserstoffmolekül CH₃⁺ in einem 1500 Lichtjahre entfernten, neu entstehenden Sonnen- und Planetensystem entdeckt. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül, das zwar nicht mit dem überall vorkommenden Wasserstoff (H₂), dafür aber mit anderen Molekülen reagiert und somit zur Bildung sehr viel komplexerer Moleküle im Weltall beitragen kann.
Seit den 1970er Jahren wird CH₃⁺ im Weltraum vorhergesagt. Nun konnte es anhand seines spektralen „Fingerabdrucks“ im Infrarotbereich auch empirisch nachgewiesen werden. Die Beobachtungen zeigen, dass CH₃⁺ aufgrund der starken UV-Strahlung benachbarter Sonnen im Orionnebel unserer Galaxie entsteht. Auch Beiträge von Kölner Forschenden, insbesondere Labormessungen des spektralen Fingerabdrucks, trugen zu dem Ergebnis bei. Der Fund wurde in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Detection of the Methyl Cation Formed by UV Driven Gas-Phase Organic Chemistry“ veröffentlicht.

Diese Entdeckung hat weitreichende Folgen für das Verständnis der Chemie und Entstehung der Moleküle im All. Insbesondere liefert der Fund neue Informationen über Details der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems.

Mittels der modernen Astronomie weiß man, dass Moleküle, wie z.B. Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O), in großer Zahl im Weltraum entstehen. Jedes dieser Moleküle hat ein individuelles Spektrum, ähnlich einzigartig wie ein menschlicher Fingerabdruck. Ist der spektroskopische „Fingerabdruck“ eines Moleküls erst einmal im Labor genommen, kann das Molekül auch im Weltraum entdeckt werden – in Regionen wie unserer Milchstraße bis hin zu weit entfernten Galaxien. Diese charakteristischen Fingerabdrücke liegen meistens im Bereich der Radio- bzw. Wärmestrahlung (Infrarotbereich), und können mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden.

Unter den Molekülen spielen Kohlenwasserstoffe (Moleküle bestehend aus Kohlenstoff – C – und Wasserstoff – H) eine besondere Rolle, weil sie unter anderem als Vorläufer von Biomolekülen fungieren können. Biomoleküle sind organische Substanzen, die die Grundlage von Lebewesen formen. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül und ein Baustein komplexerer Moleküle. Bisher konnte CH₃⁺ im All nicht nachgewiesen werden, weil es aufgrund seines symmetrischen dreieckigen Aufbaus keine Radiostrahlung, sondern nur Infrarotstrahlung aussendet. Ein geeignetes Infrarotteleskop fehlte bisher jedoch.

Der Start des James Webb Space Telescope (JWST), das im Infrarotbereich misst, sowie seine Inbetriebnahme im Sommer 2022 haben diesen Fund und viele weitere Entdeckungen nun ermöglicht. Das JWST gilt als Nachfolger des ebenso bahnbrechenden Hubble Weltraumteleskops. Die Beobachtungsschärfe und die hohe Empfindlichkeit des neuen Teleskops, insbesondere bei langen Wellenlängen, eröffnen neue, einmalige Beobachtungsmöglichkeiten.

Verschiedene Gruppen am Kölner Institut für Astrophysik haben zum aktuellen Forschungsergebnis beigetragen, auch durch den Bau einiger JWST-Spektrometer-komponenten (AG Professor Dr. Andreas Eckart). Ein anderes Team, die Kölner Submillimeter-Astrophysik Gruppe, untersucht seit langem die Physik und Chemie des Orionnebels. Die Beobachtungen mit dem JWST wurden von Privatdozent Dr. Markus Röllig und Dr. Yoko Okada mitentworfen und -ausgewertet.

Experimente der Laborastrophysikgruppe (AG Professor Dr. Stephan Schlemmer) machten es möglich, CH₃⁺ zu identifizieren. Die Gruppe beschäftigt sich mit Molekülspektroskopie, bei der sie die spektralen Fingerabdrücke der Moleküle im Labor im Radio- und Infrarotbereich misst, ohne die eine Identifizierung im Weltall nicht möglich wäre. Das CH₃⁺ Molekül wurde schon 2018 unter der Leitung von Professor Schlemmer und Privatdozent Dr. Oskar Asvany in einer sogenannten kalten Ionenfalle untersucht. Dazu wurden im Experiment einige Tausend CH₃⁺ Ionen festgehalten und mit einem Infrarotlaser bestrahlt. So konnte die genaue spektrale Position der infraroten Fingerabdrücke dieses Moleküls bestimmt werden, die das JWST nun beobachtet hat. Oskar Asvany: „Es ist schön zu sehen, dass die vor fünf Jahren gewonnenen Daten zu CH₃⁺, die bisher eher ein Nischendasein führten, durch die JWST-Daten so bedeutend geworden sind.“ Stephan Schlemmer fügt hinzu: „Das ermutigt uns und andere Gruppen weltweit, dieses besondere Molekül in Zukunft noch genauer zu untersuchen.“

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag James Webb-Weltraumteleskop entdeckt elementares Kohlenwasserstoffmolekül erschien zuerst auf Raumfahrer.net.