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

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• Dunkle Materie

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Quelle: ESA/Science&Exploration/SpaceScience/Webb, 7. August 2025

Es ist nur von der südlichen Hemisphäre der Erde aus sichtbar und besteht aus den beiden sonnenähnlichen Doppelsternen Alpha Centauri A und Alpha Centauri B sowie dem schwach leuchtenden roten Zwergstern Proxima Centauri. Alpha Centauri A ist der dritthellste Stern am Nachthimmel. Obwohl drei Planeten bestätigt sind, die Proxima Centauri umkreisen, erwies sich die Bestätigung weiterer Welten um Alpha Centauri A und Alpha Centauri B als schwierig.

Nun liefern Webbs Beobachtungen mit seinem Mid-Infrared Instrument (MIRI) den bislang stärksten Beweis für einen Gasriesen, der Alpha Centauri A umkreist. Die Ergebnisse wurden in zwei Artikeln in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Sollte dies bestätigt werden, wäre der Planet der erdnächste Planet, der in der habitablen Zone eines sonnenähnlichen Sterns kreist. Da es sich bei dem Planetenkandidaten jedoch um einen Gasriesen handelt, gehen Wissenschaftler davon aus, dass er kein Leben, wie wir es kennen, beherbergen würde.
„Da uns dieses System so nahe ist, würde jeder gefundene Exoplanet unsere beste Gelegenheit bieten, Daten über andere Planetensysteme als unser eigenes zu sammeln. Doch selbst mit dem leistungsstärksten Weltraumteleskop der Welt sind diese Beobachtungen unglaublich anspruchsvoll, weil diese Sterne so hell und nah sind und sich schnell über den Himmel bewegen“, sagte Charles Beichman vom Jet Propulsion Laboratory der NASA und dem NASA Exoplanet Science Institute am IPAC-Astronomiezentrum des Caltech, einer der Erstautoren der neuen Fachartikel. „Webb wurde entwickelt und optimiert, um die entferntesten Galaxien im Universum zu finden. Das Operationsteam des Space Telescope Science Institute musste eine maßgeschneiderte Beobachtungssequenz nur für dieses Ziel entwickeln, und ihr zusätzlicher Aufwand hat sich spektakulär gelohnt.“

Mehrere Runden sorgfältig geplanter Beobachtungen durch Webb, sorgfältige Analysen durch das Forschungsteam und umfangreiche Computermodellierungen führten zu der Feststellung, dass es sich bei der in Webbs Bild sichtbaren Quelle wahrscheinlich um einen Planeten und nicht um ein Hintergrundobjekt (wie eine Galaxie), ein Vordergrundobjekt (einen vorbeiziehenden Asteroiden) oder ein anderes Detektor- oder Bildartefakt handelt.
Die ersten Beobachtungen des Systems fanden im August 2024 statt. Dabei wurde die Koronamaske an Bord von MIRI verwendet, um das Licht von Alpha Centauri A zu blockieren. Obwohl die zusätzliche Helligkeit des nahegelegenen Begleitsterns Alpha Centauri B die Analyse erschwerte, konnte das Team das Licht beider Sterne herausrechnen und so ein Objekt enthüllen, das über 10.000-mal lichtschwächer als Alpha Centauri A ist und etwa die doppelte Entfernung zwischen Sonne und Erde von diesem Stern entfernt ist.
Obwohl die erste Entdeckung aufregend war, benötigte das Forschungsteam weitere Daten, um zu einem eindeutigen Ergebnis zu gelangen. Zusätzliche Beobachtungen des Systems im Februar 2025 und April 2025 (unter Verwendung der Director’s Discretionary Time) ergaben jedoch keine Objekte wie das im August 2024 identifizierte.

„Wir stehen vor dem nicht-mehr-sichtbar-sein eines Planeten! Um dieses Rätsel zu lösen, haben wir mithilfe von Computermodellen Millionen möglicher Umlaufbahnen simuliert und dabei sowohl die Erkenntnisse aus der Beobachtung des Planeten als auch aus der Zeit ohne Beobachtung berücksichtigt“, sagte Doktorand Aniket Sanghi vom California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien. Sanghi ist Co-Erstautor der beiden Artikel, die die Forschung des Teams behandeln.
In diesen Simulationen berücksichtigte das Team sowohl die Sichtung eines potenziellen Exoplanetenkandidaten durch das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte im Jahr 2019 als auch die neuen Daten von Webb. Zudem wurden Umlaufbahnen berücksichtigt, die in Gegenwart von Alpha Centauri B gravitativ stabil wären, d. h. der Planet würde nicht aus dem System geschleudert.
Die Forscher halten eine Nichtentdeckung in der zweiten und dritten Beobachtungsrunde mit Webb für nicht überraschend.
„Wir stellten fest, dass sich der Planet in der Hälfte der simulierten Umlaufbahnen zu nahe an den Stern bewegte und für Webb sowohl im Februar als auch im April 2025 nicht sichtbar gewesen wäre“, sagte Sanghi. Basierend auf der Helligkeit des Planeten in den Beobachtungen im mittleren Infrarot und den Umlaufbahnsimulationen gehen die Forscher davon aus, dass es sich um einen Gasriesen mit etwa der Masse des Saturn handeln könnte, der Alpha Centauri A auf einer elliptischen Bahn umkreist, die zwischen dem ein- und zweifachen Abstand zwischen Sonne und Erde variiert.
„Dies sind einige der anspruchsvollsten Beobachtungen, die wir bisher mit dem Koronographen von MIRI durchgeführt haben“, sagte Pierre-Olivier Lagage vom CEA in Frankreich, Mitautor der Artikel und französischer Leiter der Entwicklung von MIRI. „Als wir das Instrument entwickelten, waren wir gespannt, was wir um Alpha Centauri herum entdecken würden, und ich bin gespannt, was es uns als Nächstes offenbaren wird!“
„Sollte sich die Existenz des potenziellen Planeten im Webb-Bild von Alpha Centauri A bestätigen, wäre dies ein Meilenstein in der Exoplaneten-Bildgebung“, sagt Sanghi. „Von allen bisher direkt abgebildeten Planeten wäre dieser seinem Stern am nächsten. Er ähnelt in Temperatur und Alter den Riesenplaneten unseres Sonnensystems am meisten und ist unserer Heimat, der Erde, am nächsten“, sagt er. „Seine Existenz in einem System zweier eng beieinander liegender Sterne würde unser Verständnis davon, wie Planeten in chaotischen Umgebungen entstehen, überleben und sich entwickeln, in Frage stellen.“
Sollten die Ergebnisse des Teams durch weitere Beobachtungen bestätigt werden, könnten sie die Zukunft der Exoplanetenforschung verändern.

Links:

• Release on esawebb.org
• Science paper
• Science paper

Mehr Information

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschossen wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Start des Teleskops mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Adaptionen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen NASA, ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

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• Exoplaneten

Der Beitrag Webb findet neue Hinweise auf einen Planeten in unserem nächsten Sonnensystem erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA/Science&Exploration, 1. August 2025

Das hier gezeigte Feld, das als MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) Region bekannt ist, wurde mit dem kurzwelligsten Filter des Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb fast 100 Stunden lang beobachtet. Dies ist die bisher längste Beobachtung eines extragalaktischen Feldes mit einem einzelnen Filter, die einen der tiefsten Blicke auf das Universum ermöglicht, die jemals gewonnen wurden. In Kombination mit den Daten der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb ermöglicht dieses Bild den Astronomen zu erforschen, wie sich Galaxien über Milliarden von Jahren gebildet und entwickelt haben.
Diese tiefen Beobachtungen haben mehr als 2500 Strahlungsquellen in diesem winzigen Bereich des Himmels aufgedeckt. Darunter befinden sich Hunderte von extrem roten Galaxien – einige davon sind wahrscheinlich massive, staubverdeckte Systeme oder entwickelte Galaxien mit reifen Sternen, die sich früh in der Geschichte des Universums gebildet haben. Dank der scharfen Auflösung von Webb, selbst im mittleren Infrarotbereich, können die Forscher die Strukturen vieler dieser Galaxien auflösen und untersuchen, wie ihr Licht verteilt wird, was Aufschluss über ihr Wachstum und ihre Entwicklung gibt.
In diesem Bild verdeutlichen die Farben, die den verschiedenen Wellenlängen des Infrarotlichts zugeordnet wurden, die feinen Nuancen, die Astronomen mit diesen genauen Daten machen können. Orange und Rot stehen für die längsten Wellenlängen im mittleren Infrarot. Die Galaxien in diesen Farben weisen zusätzliche Merkmale auf – wie hohe Staubkonzentrationen, rege Sternentstehung oder einen aktiven galaktischen Kern (AGN) in ihrem Zentrum -, die mehr von diesem weiter entfernten Infrarotlicht aussenden. Kleine, grünlich-weiße Galaxien sind besonders weit entfernt und haben eine hohe Rotverschiebung. Dadurch verschiebt sich ihr Lichtspektrum in die Wellenlängen des mittleren Infrarots, die in den Daten weiß und grün dargestellt sind. Den meisten Galaxien in diesem Bild fehlt eine solche Verstärkung im mittleren Infrarot, so dass sie bei den kürzeren Wellenlängen des nahen Infrarots am hellsten sind, die in den Farben Blau und Cyan dargestellt sind.
Mit der Rückkehr zu diesem alten Feld, das durch das NASA/ESA Hubble Space Telescope berühmt wurde, setzt Webb die Tradition des Deep Field fort und erweitert sie – es enthüllt neue Details, deckt bisher verborgene Galaxien auf und bietet neue Einblicke in die Entstehung der ersten kosmischen Strukturen.

CREDIT: ESA/Webb, NASA & CSA, G. Östlin, P. G. Perez-Gonzalez, J. Melinder, the JADES Collaboration, M. Zamani (ESA/Webb)
LICENCE: CC BY 4.0 INT oder ESA Standard Licence

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: ESA 25. Juli 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Direkt beobachtete Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 17. Juni 2024.

17. Juni 2024 – Beobachtungen eines der am weitesten entfernten Schwarzen Löcher im frühen Universum mit dem Weltraumteleskop JWST zeigen: Offenbar wuchsen Schwarze Löcher bereits weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall in ähnlicher Weise wie heute. Dass es bereits im frühen Universum überraschend massereiche Schwarze Löcher gab, läßt sich daher nicht, wie von einer Reihe von Astronom*innen erhofft, mit besonders effizienten „Fütterungsmechanismen“ Schwarzer Löcher in der Frühzeit unseres Kosmos erklären. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte stellen für die Astronomie eine Herausforderung dar. Die frühesten bekannten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien besaßen bereits damals überraschend große Massen. Aber wie konnten sie so schnell so massereich werden? Jetzt verschärfen neue Beobachtungen das Problem sogar noch: Sie liefern deutliche Belege gegen mehrere Lösungsvorschläge. Insbesondere scheint es für die frühesten Schwarzen Löcher keinen „ultra-effektiven Fütterungsmodus“ zu geben, der einen raschen Massezuwachs erklären könnte.

Grenzen des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher
Sterne und Galaxien haben sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren, der bisherigen Lebenszeit unseres Kosmos, enorm verändert. Die Galaxien sind größer geworden und haben an Masse gewonnen, indem sie sich Gas aus ihrer Umgebung einverleibt haben oder (gelegentlich) indem zwei Galaxien miteinander verschmolzen sind. Lange Zeit gingen die Astronomen davon aus, dass die supermassereichen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien ähnlich allmählich gewachsen sind wie die Galaxien selbst.

Schwarze Löcher können ganz allgemein nicht beliebig schnell wachsen. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, bildet eine sich drehende, heiße, helle „Akkretionsscheibe“ um das Schwarze Loch. Bei supermassereichen Schwarzen Löchern entsteht auf diese Weise ein aktiver galaktischer Kern. Die hellsten aktiven Kerne, die so genannten Quasare, gehören zu den hellsten astronomischen Objekten überhaupt. Die Helligkeit begrenzt allerdings, wie viel Materie dann noch auf das Schwarze Loch fallen kann: Licht übt einen (Strahlungs-)Druck aus, der Materieeinfall bremsen oder sogar verhindern kann.

Wie wurden Schwarze Locher so rasch so massereich?
Deshalb waren die Astronom*innen überrascht, als sie in den letzten zwanzig Jahren bei der Beobachtung entfernter Quasare sehr junge Schwarze Löcher entdeckten, die dennoch bereits Massen bis zu 10 Milliarden Sonnenmassen besaßen. In der Astronomie ist der Blick auf weit entfernte Objekte immer ein Blick in die ferne Vergangenheit, schlicht weil das Licht jener Objekte immer eine gewisse Zeit benötigt, um uns zu erreichen. Die am weitesten entfernten bekannten Quasare sehen wir so, wie sie in einer als „kosmische Dämmerung“ bezeichneten Ära waren, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden.

Die Entstehung der frühen, massereichen Schwarzen Löcher zu erklären ist aktuell eine große Herausforderung für die Modelle der Galaxienentwicklung. Es gibt eine Reihe von möglichen Erklärungen, allerdings bislang noch keine, die allgemein akzeptiert wäre. Könnte es vielleicht sein, dass frühe Schwarze Löcher viel effizienter Gas akkretierten als ihre modernen Gegenstücke? Oder könnte Staub die Beobachtungen von Quasaren so beeinflussen, dass die Abschätzungen für die Massen von frühen Quasaren irrtümlich zu hoch ausfallen?

Genauer hingeschaut beim Wachstum früher Schwarzer Löcher
Um entscheiden zu können, welche der Erklärungen – wenn überhaupt eine davon – die richtige ist, sind genauere Beobachtungen von Quasaren nötig, als sie bislang möglich waren. Hier kommt das Weltraumteleskop JWST und insbesondere sein Instrument MIRI für den mittleren Infrarotbereich ins Spiel: Bei der Messung der Spektren entfernter Quasare ist MIRI 4000 Mal empfindlicher als alle vorherigen Instrumente.

Instrumente wie MIRI werden von internationalen Konsortien gebaut, in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen. Als Gegenleistung für den Bau des Instruments erhalten die Konsortien ein bestimmtes Kontingent an Beobachtungszeit. Bereits 2019, Jahre vor dem Start von JWST, beschloss das europäische MIRI-Konsortium, einen Teil dieser Zeit zu nutzen, um MIRI mit einer wichtigen Art von Beobachtung auf die Probe zu stellen: Man beschloss, den damals am weitesten entfernten bekannten Quasar zu beobachten, ein Objekt mit der Bezeichnung J1120+0641.

Blick auf eines der frühesten Schwarzen Löcher
Die Auswertung der Beobachtungen wurde Dr. Sarah Bosman übertragen, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Mitglied des europäischen MIRI-Konsortiums. Das MPIA hatte zum MIRI-Instrument eine Reihe wichtiger Bauteile beigetragen. Bosman war direkt wegen ihrer Erfahrung bei der Untersuchung früher supermassereicher Schwarzer Löcher eingeladen worden, dem MIRI-Konsortium beizutreten.

Die Beobachtungen wurden im Januar 2023 durchgeführt, während des ersten Beobachtungszyklus des JWST, und dauerten etwa zweieinhalb Stunden. Dies war die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarotbereich in der Zeit der kosmischen Dämmerung, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Erfasst wurde dabei nicht ein Bild, sondern ein Spektrum: die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts des Objekts in Komponenten verschiedener Wellenlängen.

Auf der Spur von Staub und schnellem Gas
Die Gesamtform des Spektrums im mittleren Infrarot („Kontinuum“) enthält Informationen über die Eigenschaften eines gigantischen, lockeren Rings aus Staub, wie er die Akkretionsscheibe von Quasaren typischerweise umgibt. Der „Staubtorus“ hilft, Materie zur Akkretionsscheibe zu leiten und so das Schwarze Loch zu „füttern“. Die schlechte Nachricht für alle, die die Lösung für die massereichen frühen Schwarzen Löcher in ungewöhnlich schnellem Wachstum suchen: Der Staubtorus und damit auch der Fütterungsmechanismus des frühen Quasars unterscheiden sich kaum von denen modernerer Gegenstücke. Den einzigen Unterschied hatte kein Modell des schnellen Wachstums früher Quasare vorhergesagt: eine rund 100 Kelvin höhere Staubtemperatur als die 1300 K, die für den heißesten Staub in weniger weit entfernten Quasaren gefunden wurden.

Bei kürzeren Wellenlängen dominiert das Licht der Akkretionsscheibe das Spektrum. Hier zeigen die neuen Beobachtungen, dass das Licht des Quasars für uns als entfernte Beobachter ausdrücklich nicht durch überdurchschnittlich viel Staub geschwächt wird. Dass wir die Massen früher Schwarzer Löcher lediglich wegen des zusätzlichen Staubs überschätzen würden, ist damit auch keine gangbare Erklärung.

Ein “schockierend normaler” früher Quasar
In der sogenannten broad-line region von Quasaren, benannt nach ihren charakteristischen breiten Spektrallinien, umkreisen Gasklumpen das Schwarze Loch mit annähernd Lichtgeschwindigkeit. Das lässt Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs ebenso wie auf Dichte und Ionisierung der umgebenden Materie zu. Aber auch in dieser Hinsicht war bei den Beobachtungen alles normal. Bei so gut wie allen Eigenschaften, die sich aus dem Spektrum ableiten lassen, unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren zu späteren Zeiten.

Bosman sagt: „Mit unseren Beobachtungen wird das Rätsel noch ein bisschen rätselhafter. Frühe Quasare waren überraschend normal. Unabhängig davon, bei welchen Wellenlängen wir sie beobachten, sind Quasare offenbar in allen Epochen des Universums nahezu identisch.“ Es sieht so aus, als wären nicht nur die supermassereichen Schwarzen Löcher selbst, sondern auch ihre Fütterungsmechanismen bereits völlig „ausgereift“ gewesen, als das Universum gerade mal 5% so alt war wie heute.

Das schließt eine Reihe der Lösungsvorschläge für die große Masse früher Schwarzer Löcher aus und stützt damit die Idee, dass supermassereiche Schwarze Löcher von Anfang an eine beträchtliche Masse gehabt haben müssen, im Fachjargon der Astronomie: dass sie „primordial“ oder bereits von Anfang an „groß angelegt“ („seeded large“) sind. Supermassereiche Schwarze Löcher hätten sich demnach nicht aus den Überresten früher Sterne gebildet und wären erst anschließend sehr schnell massereich geworden. Sie dürften sich im Gegenteil von vornherein mit Massen von mindestens hunderttausend Sonnenmassen gebildet haben, vermutlich durch den Kollaps massereicher früher Gaswolken.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden unter dem Titel „JWST rest-frame infrared spectroscopy reveals a mature quasar at cosmic dawn“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Sarah Bosman (ebenfalls Universität Heidelberg), Fabian Walter, Leindert Boogaard, Manuel Güdel und Thomas Henning, in Zusammenarbeit mit dem MIRI Guaranteed Time Observations (MIRI GTO) Team.

Originalpublikation:
S. Bosman et al., „JWST rest-frame infrared spectroscopy reveals a mature quasar at cosmic dawn“ in Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02273-0

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 6. Juni 2024.

6. Juni 2024 – Die Ergebnisse zeigen die bislang reichhaltigste chemische Zusammensetzung aus Kohlenwasserstoffen in einer protoplanetaren Scheibe, einschließlich des ersten Nachweises von Ethan außerhalb des Sonnensystems und einer relativ geringen Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Verbindungen.

Zusammen mit früheren Entdeckungen ergibt sich ein Trend, dass sich die Scheiben um sehr massearme Sterne chemisch von denen um massereichere Sterne wie die Sonne unterscheiden, was sich auf die Atmosphären der dort entstehenden Planeten auswirkt.

Planeten entstehen in Scheiben aus Gas und Staub, die junge Sterne umgeben. Der MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS) unter der Leitung von Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg verfolgt das Ziel, eine repräsentative Stichprobe von Scheiben zu erstellen. Durch die Erforschung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften mit MIRI (Mid INfrared Instrument) an Bord des Weltraumteleskops James Webb (JWST) stellt die Gruppe eine Verbindung zwischen diesen Scheiben und den Eigenschaften der Planeten her, die sich dort möglicherweise bilden. In einer neuen Studie untersuchte ein Forschungsteam die Umgebung eines sehr massearmen Sterns von 0,11 Sonnenmassen (bekannt als ISO-ChaI 147), dessen Ergebnisse in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden.

JWST ermöglicht neue Einblicke in die chemische Zusammensetzung planetenbildender Scheiben
„Diese Beobachtungen sind von der Erde aus nicht möglich, da die relevanten Gasemissionen durch die Atmosphäre abgeschirmt werden“, erklärt Hauptautorin Aditya Arabhavi von der Universität Groningen in den Niederlanden. „Bisher konnten wir von diesem Objekt nur die Strahlung von Ethin-Molekülen (C₂H₂) nachweisen. Die höhere Empfindlichkeit von JWST und die spektrale Auflösung seiner Instrumente ermöglichten es uns jedoch, schwache Signale von weniger häufig vorkommenden Molekülen zu erkennen.“

Die MINDS-Gruppe fand Gas mit Temperaturen um 300 Kelvin (ca. 30 Grad Celsius), das stark mit kohlenstoffhaltigen Molekülen angereichert ist, aber keine sauerstoffreichen Stoffe enthält. „Das unterscheidet sich grundlegend von der Zusammensetzung, die wir in Scheiben um sonnenähnliche Sterne sehen, wo sauerstoffhaltige Moleküle wie Wasser und Kohlendioxid dominieren“, fügt Inga Kamp von der Universität Groningen hinzu.

Ein eindrucksvolles Beispiel für eine sauerstoffreiche Scheibe ist die von PDS 70, wo das MINDS-Programm kürzlich große Mengen an Wasserdampf gefunden hat. Aus früheren Beobachtungen schließen die Astronominnen und Astronomen, dass sich Scheiben um sehr massearme Sterne anders entwickeln als solche um massereichere Sterne wie die Sonne, was sich möglicherweise auf das Aufspüren von Gesteinsplaneten mit erdähnlichen Eigenschaften auswirkt. Da die Umgebungen in solchen Scheiben die Bedingungen für die Bildung neuer Planeten vorgeben, könnte ein solcher Planet zwar aus Gestein sein, sich aber in anderen Aspekten von der Erde deutlich unterscheiden.

Was bedeutet das für Gesteinsplaneten, die sehr massearme Sterne umkreisen?
Die Menge des Materials und seine Verteilung innerhalb dieser Scheiben begrenzt die Anzahl und Größe der Planeten, die die Scheibe mit dem notwendigen Material versorgen kann. Folglich deuten Beobachtungen darauf hin, dass sich in den Scheiben um sehr massearme Sterne, den häufigsten Sternen im Universum, Gesteinsplaneten mit erdähnlichen Größen effizienter bilden als jupiterähnliche Gasriesen. Daher beherbergen die masseärmsten Sterne bei Weitem die meisten terrestrischen Planeten.

„Die ursprünglichen Atmosphären dieser Planeten werden wahrscheinlich von Kohlenwasserstoffverbindungen dominiert und nicht so sehr von sauerstoffreichen Gasen wie Wasserdampf und Kohlendioxid“, so Thomas Henning. „Wir haben in einer früheren Studie gezeigt, dass der Transport von kohlenstoffreichem Gas in die Zone, in der sich normalerweise Gesteinsplaneten bilden, in diesen Scheiben schneller und effizienter erfolgt als in denen massereicherer Sterne.“

Obwohl es klar zu sein scheint, dass Scheiben um sehr massearme Sterne mehr Kohlenstoff als Sauerstoff enthalten, ist der Mechanismus, der zu diesem Ungleichgewicht führt, noch unbekannt. Die Zusammensetzung der Scheibe ist entweder das Ergebnis einer Anreicherung von Kohlenstoff oder einer Verarmung von Sauerstoff. Wenn der Kohlenstoff angereichert ist, liegt die Ursache wahrscheinlich in festen Partikeln in der Scheibe, deren Kohlenstoff verdampft und in die gasförmige Komponente der Scheibe freigesetzt wird. Die Staubkörner, die ihren ursprünglichen Kohlenstoff verloren haben, bilden schließlich feste Planetenkörper. Diese Planeten wären kohlenstoffarm, genau wie die Erde. Dennoch würde die auf Kohlenstoff basierende Chemie wahrscheinlich zumindest ihre ursprünglichen Atmosphären dominieren, die durch Scheibengas gespeist werden. Daher bieten Sterne mit sehr geringer Masse möglicherweise nicht die besten Voraussetzungen, um erdähnliche Planeten zu finden.

JWST entdeckt eine Fülle von organischen Molekülen
Um die Gase der Scheibe zu identifizieren, nutzte das Team den MIRI-Spektrografen, um die von der Scheibe empfangene Infrarotstrahlung in Signaturen kleiner Wellenlängenbereiche zu zerlegen – ähnlich wie sich das Sonnenlicht in einem Regenbogen aufspaltet. Auf diese Weise arbeitete das Team eine Fülle von Spuren heraus, die einzelnen Molekülen zugeordnet werden können.

Das Ergebnis ist, dass die beobachtete Scheibe die reichhaltigste Kohlenwasserstoffchemie enthält, die bisher in einer protoplanetaren Scheibe beobachtet wurde, bestehend aus 13 kohlenstoffhaltigen Molekülen bis zu Benzol (C₆H₆). Darunter befindet sich auch der erste Nachweis von extrasolarem Ethan (C₂H₆), dem größten vollständig gesättigten Kohlenwasserstoff, der außerhalb des Sonnensystems entdeckt wurde. Außerdem gelang es dem Team, Ethen (C₂H₄), Propin (C₃H₄) und das Methylradikal CH₃ zum ersten Mal in einer protoplanetaren Scheibe nachzuweisen. Dagegen zeigten die Daten keinen Hinweis auf Wasser oder Kohlenmonoxid in der Scheibe.

Den Blick auf Scheiben um sehr massearme Sterne schärfen
Als Nächstes will das Wissenschaftsteam seine Studie auf eine größere Stichprobe solcher Scheiben um sehr massearme Sterne ausweiten, um besser zu verstehen, wie häufig solche exotischen, kohlenstoffreichen Regionen sind, in denen sich terrestrische Planeten bilden. „Durch die Ausweitung unserer Studie werden wir besser verstehen, wie sich diese Moleküle bilden können“, erklärt Thomas Henning. „Zudem finden wir in den Webb-Daten mehrere Merkmale, die wir bislang keinen chemischen Verbindungen zuordnen können. Daher ist zusätzliche Spektroskopie erforderlich, um unsere Beobachtungen vollständig zu verstehen.“

Hintergrundinformationen
Die Studie wurde im Rahmen des ERC Advanced Grant „Origins – From Planet-Forming Disks to Giant Planets“ finanziert (Grant ID: 832428, Forschungsleiter: Thomas Henning, DOI: 10.3030/832428).

Die an dieser Studie beteiligte Forschungsteam des MPIA besteht aus Thomas Henning, Matthias Samland, Giulia Perotti, Jeroen Bouwman, Silvia Scheithauer, Riccardo Franceschi, Jürgen Schreiber und Kamber Schwartz.

Weitere Forschende sind Aditya Arabhavi (Universität Groningen, Niederlande [Groningen]), Inga Kamp (Groningen), Ewine van Dishoeck (Universität Leiden, Niederlande und Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland), Valentin Christiaens (Universität Lüttich, Belgien) und Agnes Perrin (Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL CNRS, Palaiseau, Frankreich)

Das MIRI-Konsortium besteht aus den ESA-Mitgliedstaaten Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, 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 weltraumgestützte wissenschaftliche Observatorium. Es ist ein internationales Programm, das von der NASA gemeinsam mit ihren Partnern, der ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der CSA (Kanadische Weltraumorganisation), geleitet wird.

Originalpublikation:
A. M. Arabhavi, I. Kamp, Th. Henning, E. F. van Dishoeck, V. Christiaens, et al. “Abundant hydrocarbons in the disk around a very-low-mass star”, Science (2024)
dx.doi.org/10.1126/science.adi8147
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8147

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• Planetenentstehung

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Quelle: Universität Bern 8. Mai 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Exoplaneten

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Exoplaneten

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

Quelle: Universität Wien 15. November 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: 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;

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• Exoplaneten

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Exoplaneten

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Exoplaneten

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

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – Ein internationales Team hat mithilfe des James-Webb-Teleskops (JWST) der NASA/ESA/CSA unterschiedliches „Eis“ in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckt, die je untersucht wurden. Dieses Ergebnis ermöglicht es den Forschenden, einfache Moleküle zu analysieren, die in zukünftigen Exoplaneten enthalten sein könnten, und eröffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Ursprung komplexerer Moleküle, die der erste Schritt bei der Entstehung der Bausteine des Lebens sind.

Für die Entstehung eines bewohnbaren Planeten sind gefrorene Moleküle von entscheidender Bedeutung, da sie mehrere wichtige leichte Elemente liefern: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel (zusammenfassend nach ihren Symbolen als CHONS bezeichnet). Diese Elemente sind zentrale Bestandteile der Planetenatmosphären und auch von Molekülen wie Zucker, Alkoholen und einfachen Aminosäuren. Auf unsere Erde gelangten diese Elemente vermutlich durch Einschläge von eisigen Kometen oder Asteroiden. Außerdem glauben die Astronomen und Astronominnen, dass solche Eiskristalle höchstwahrscheinlich bereits in der dunklen Wolke aus kaltem Staub und Gas vorhanden waren, aus der schließlich unser Sonnensystem entstand. In derartigen Regionen des Alls liefern eisige Staubkörner einzigartige Bedingungen für chemische Reaktionen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen sich ganz gewöhnliche Stoffe wie Wasser bilden können. Detaillierte Laborstudien haben außerdem gezeigt, dass unter diesen eisigen Bedingungen auch einfache präbiotische Moleküle entstehen können.

Ein internationales Team hat nun mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA eine detaillierte Bestandsaufnahme der kältesten bisher gemessenen Eismassen in einer Molekülwolke veröffentlicht. Das Team suchte gezielt nach Eis in einer besonders kalten, dichten und schwer zu untersuchenden Region der Molekülwolke Chamäleon I, einer etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernten Gegend, in der sich Dutzende von jungen Sternen bilden.

Neben einfachen Eismolekülen wie Wasser konnte das Team gefrorene Formen einer breiten Palette von Molekülen identifizieren, von Kohlendioxid, Ammoniak und Methan bis hin zum komplexen organischen Molekül Methanol. Dies ist die bisher umfassendste Bestandsaufnahme der eisigen Bestandteile, die für die Bildung künftiger Generationen von Sternen und Planeten zur Verfügung stehen, bevor sie bei der Entstehung junger Sterne aufgeheizt werden. Die Eiskörner wachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub um diese jungen Sterne stürzen. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen können somit alle möglichen Eismoleküle untersuchen, die in zukünftige Exoplaneten eingebaut werden können.

„Unsere Ergebnisse geben Einblicke in die Phase der ersten, dunklen Chemie, während der sich auf den interstellaren Staubkörnern Eis bildet, welche dann zu den zentimetergroßen Brocken heranwachsen, aus denen sich in den Scheiben schließlich die Planeten bilden“, sagte Melissa McClure, Astronomin am Leiden Observatory. Sie leitet das Beobachtungsprogramm und ist Hauptautorin der Veröffentlichung, in der dieses Ergebnis beschrieben wird.

Die Beobachtungen wurden mit drei Instrumenten am JWST durchgeführt, darunter MIRI, das gemeinsam von der NASA, der ESA und einem europäischen Konsortium entwickelt wurde. Die Leidener Gruppe mit Prof. Ewine van Dishoeck hat auch Eisspektren im Labor gemessen, um sie mit den Beobachtungsdaten zu vergleichen und so die verschiedenen Eissorten zu identifizieren. „Die Qualität und Empfindlichkeit dieser frühen JWST-Daten übertrifft sogar noch unsere Erwartungen: Wir sind in der Lage, Quellen zu beobachten, die tausendmal schwächer sind, als es bisher möglich war. Wir finden sogar die 13-C-Version von CO₂-Eis“, betont Prof. van Dishoeck, die auch Mitglied des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist.

Diese Forschung ist Teil des „Ice Age“-Projekts, eines der 13 „Early Release“-Wissenschaftsprogramme des James-Webb-Teleskops. Diese Beobachtungen sollen die Möglichkeiten mit dem JWST aufzeigen und der astronomischen Gemeinschaft demonstrieren, wie man das Beste aus den Instrumenten herausholen kann. Das IceAge-Team hat bereits weitere Beobachtungen geplant und hofft, den Weg des Eises von seiner Entstehung bis zur Bildung von Eiskometen nachvollziehen zu können.

„Es ist äußerst spannend, die Zusammensetzung der Eismäntel um Staubkörnchen in den dunklen und dichten Regionen interstellarer Wolken zu enthüllen“, sagt Prof. Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. Diese Regionen sind die Vorläufer von Planetensystemen wie dem unseren. Zumindest ein Teil dieses Eises, einschließlich der komplexen organischen Moleküle, die Vorläufer präbiotischer Spezies sind, wird in zukünftige Planetensysteme eingebaut. „Wir können nun – dank JWST und IceAge – Beobachtungen von interstellarem Eis quantitativ mit unseren detaillierten chemischen Modellen für Gas und Staub vergleichen. Die Oberflächenchemie ist am wenigsten verstanden, daher sind diese Daten so wertvoll“, schließt Caselli.

Originalveröffentlichung:
M. K. McClure et al.
An Ice Age JWST inventory of dense molecular cloud ices
Nature, 23 Jan 2023
dx.doi.org/10.5281/zenodo.7501239
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01875-w

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: ESA 28. Oktober 2022.

28. Oktober 2022 – Warum erzeugt das Licht im mittleren Infrarotbereich auf dem Bild des Mittelinfrarot-Instruments (MIRI) von Webb eine so düstere, unheimliche Stimmung? Interstellarer Staub hüllt die Szene ein. Und während das Licht im mittleren Infrarot besonders gut erkennen lässt, wo sich Staub befindet, sind die Sterne bei diesen Wellenlängen nicht hell genug, um sichtbar zu werden.

In dieser Region haben sich Tausende und Abertausende von Sternen gebildet. Das zeigt sich deutlich, wenn man das jüngste Bild der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb von diesem Objekt betrachtet. In der Ansicht von MIRI scheinen die meisten Sterne zu fehlen. Viele neu entstandene Sterne sind nicht mehr von ausreichend Staub umgeben, um im mittleren Infrarotlicht erkannt zu werden. Stattdessen beobachtet MIRI junge Sterne, die ihren staubigen „Umhang“ noch nicht abgelegt haben.

Das Licht im mittleren Infrarot eignet sich hervorragend zur Beobachtung von Gas und Staub bis ins kleinste Detail. Auch im Hintergrund ist dies unverkennbar. Die dichtesten Staubbereiche sind die dunkelsten Grautöne. Der rote Bereich an der Spitze, der ein unheimliches V bildet, wie eine Eule mit ausgebreiteten Flügeln, ist der Bereich, in dem der Staub diffus und kühler ist. Bemerkenswert ist, dass keine Hintergrundgalaxien zu sehen sind – das interstellare Medium im dichtesten Teil der Milchstraßenscheibe ist zu sehr mit Gas und Staub aufgebläht, als dass ihr entferntes Licht durchdringen könnte.

Wie groß ist diese Landschaft? Folgen Sie der obersten Säule und gehen Sie auf den leuchtend roten Stern, der wie ein Besenstiel aus der unteren Kante herausragt. Dieser Stern und sein staubiger Mantel sind größer als unser ganzes Sonnensystem.

Diese Szene wurde erstmals 1995 vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA und 2014 erneut aufgenommen. Allerdings haben auch viele andere Observatorien von Weltrang, wie das Herschel-Teleskop der ESA, diese Region genau unter die Lupe genommen. Jedes moderne Instrument bietet den Forscher*innen verlockende neue Details über diese Region, die praktisch von Sternen nur so strotzt. Die Astronom*innen gewinnen mit jeder Beobachtung neue Informationen und gewinnen durch ihre laufenden Forschungen ein tieferes Verständnis für diese sternbildende Region. Jede Wellenlänge des Lichts und jedes moderne Instrument liefert weitaus präzisere Zählungen von Gas, Staub und Sternen, die den Forscher*innen Aufschluss über die Entstehung von Sternen geben. Dank der neuen MIRI-Aufnahme stehen den Astronom*innen nun höher aufgelöste Daten im mittleren Infrarot als je zuvor zur Verfügung. Sie werden die weitaus präziseren Staubmessungen analysieren, um ein vollständigeres dreidimensionales Bild dieser fernen Region zu erstellen.

Die Säulen der Schöpfung befinden sich innerhalb des riesigen Adlernebels, der 6.500 Lichtjahre entfernt ist.

Weitere Informationen
Das Webb-Teleskop ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschossen wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens war die ESA für den Start des Teleskops mit der Trägerrakete Ariane 5 zuständig. 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 Startdienstes durch Arianespace verantwortlich.

Die ESA stellte auch das Arbeitstier, den Spektrografen NIRSpec, und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium aus national finanzierten europäischen Einrichtungen (dem europäischen MIRI-Konsortium) in Zusammenarbeit mit JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Das Webb-Teleskop ist ein internationales Joint Venture zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (der kanadischen Raumfahrtbehörde CSA).

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• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag Gespenstisches Porträt: Webb offenbart Staub und Strukturen in den Säulen der Schöpfung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 12. Oktober 2022.

12. Oktober 2022 – Ein neues Bild, das mit dem James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurde, zeigt einen bemerkenswerten kosmischen Anblick: mindestens 17 konzentrische Staubringe, die von einem Sternenpaar ausgehen. Dieses Sternenduo befindet sich in einer Entfernung von gut 5.000 Lichtjahre von der Erde und ist unter der Bezeichnung Wolf-Rayet 140 bekannt. Zu dem Forscherteam unter der Leitung des US-Astronomen Ryan Lau gehört auch Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Ein neues Bild des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) offenbart einen bemerkenswerten kosmischen Anblick: mindestens 17 konzentrische Staubringe, die von einem Sternenpaar ausgehen. Dieses Sternsystem befindet sich in etwas mehr als 5.000 Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sternbilds Cygnus (Schwan) und ist unter dem Namen Wolf-Rayet 140 (WR 140) bekannt. Die Ringe entstanden jeweils beim geringsten Abstand beider Sterne auf ihrer Umlaufbahn durch Kollision der Sternwinde (Gasströme, die sie ins All blasen). Dadurch wurde das Gas komprimiert und es bildete sich Staub. Die Umlaufbahnen der Sterne bringen sie etwa alle acht Jahre zusammen; wie die Ringe eines Baumstamms markieren die Staubschleifen den Lauf der Zeit.

„Wir sehen die Staubproduktion über mehr als ein Jahrhundert in diesem System“, sagt Ryan Lau, Astronom am NOIRLab der National Science Foundation, der Erstautor einer neuen Studie über das System, die heute in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht wurde. „Das Bild zeigt auch, wie empfindlich das JWST ist. Früher konnten wir mit bodengebundenen Teleskopen nur zwei Staubringe sehen. Jetzt sehen wir mindestens 17 davon.“

Zusätzlich zur allgemeinen Empfindlichkeit des James-Webb-Teleskops ist sein „Mid-Infrared Instrument“ (MIRI) in einzigartiger Weise geeignet, die Staubringe zu untersuchen, die Lau und seine Kollegen als Schalen bezeichnen, da sie in Wirklichkeit dicker und breiter sind als sie auf dem Bild erscheinen. Die wissenschaftlichen Instrumente des Teleskops erfassen infrarotes Licht, einen Bereich von Wellenlängen, der für das menschliche Auge unsichtbar ist.

MIRI, das zuvor vom „Jet Propulsion Laboratory“ für die NASA verwaltet wurde, erkennt die längsten Infrarot-Wellenlängen, was bedeutet, dass es im Vergleich zu den anderen Instrumenten des JWST oft kühlere Objekte sehen kann, darunter auch die Staubringe. Das MIRI-Spektrometer enthüllte auch die Zusammensetzung des Staubs, der größtenteils aus Material besteht, das von einem Sterntyp ausgestoßen wird, der als Wolf-Rayet-Stern bekannt ist.

Ein Wolf-Rayet-Stern wird mit mindestens 25-mal mehr Masse als unsere Sonne geboren und nähert sich dem Ende seines Lebens. Ein Wolf-Rayet-Stern erzeugt starke Winde, die riesige Mengen an Gas ins All stoßen. Der Wolf-Rayet-Stern in diesem speziellen Paar hat durch diesen Prozess möglicherweise bereits mehr als die Hälfte seiner ursprünglichen Masse verloren.

Die Umwandlung von Gas in Staub ist in etwa so, als würde man Mehl in Brot verwandeln: Es sind bestimmte Bedingungen und Zutaten erforderlich. Das in Sternen am häufigsten vorkommende Element, Wasserstoff, kann von sich aus keinen Staub bilden. Da Wolf-Rayet-Sterne jedoch so viel Masse abwerfen, stoßen sie auch komplexere Elemente aus, die normalerweise tief im Inneren eines Sterns zu finden sind, darunter Kohlenstoff. Die schweren Elemente im Wind kühlen auf ihrer Reise in den Weltraum ab und werden dort komprimiert, wo die Winde beider Sterne zusammentreffen.

Einige andere Wolf-Rayet-Systeme bilden ebenfalls Staub, aber von keinem ist bekannt, dass es Ringe wie bei WR 140 bildet. Das einzigartige Ringmuster entsteht, weil die Umlaufbahn des Wolf-Rayet-Sterns im Doppelsternsystem länglich und nicht kreisförmig ist. Nur wenn sich die Sterne einander genügend annähern – etwa auf die gleiche Entfernung wie zwischen Erde und Sonne – und ihre Sternwinde miteinander kollidieren, steht das Gas unter ausreichendem Druck, um Staub zu bilden.

Lau und seine Mitautoren gehen davon aus, dass die Winde von WR 140 auch die Umgebung von Materialresten befreit haben, mit denen sie sonst kollidiert wären. Das könnte der Grund dafür sein, dass die Ringe so unberührt und nicht verschmiert oder zerstreut erscheinen. Wahrscheinlich gibt es sogar noch mehr Ringe, die so schwach und zerstreut sind, dass man sie nicht einmal in den Daten vom JWST erkennen kann.

„WR 140 stellt ein faszinierendes astrophysikalisches Labor dar, um Windkollisionen, Staubbildung und das Überleben von Staub in der feindlichen Strahlungsumgebung um diese massereichen und heißen Sterne zu untersuchen“, sagt Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Beobachtungen in verschiedenen Orbitalphasen ermöglichen es uns zu untersuchen, wie die Staubproduktion von der Entfernung zwischen den beiden heißen Sternen abhängt, da die Umlaufbahn gut bekannt ist. Die Entdeckung von entfernten Schalen aus der Staubproduktion vor mehr als 100 Jahren zeigt, dass der von WR 140 gebildete Staub lange Zeit überleben kann.“

Die neue Studie mit den Daten des MIRI-Spektrometers mit mittlerer Auflösung liefert den bisher besten Beweis dafür, dass Wolf-Rayet-Sterne kohlenstoffreiche Staubmoleküle produzieren. Und die Erhaltung der Staubhüllen deutet darauf hin, dass dieser Staub in der lebensfeindlichen Umgebung zwischen den Sternen überleben und Material für zukünftige Sterne und Planeten liefern kann.

„Obwohl Wolf-Rayet-Sterne in unserer Galaxie selten sind, weil sie im Vergleich zu anderen Sternen sehr kurzlebig sind, ist es möglich, dass sie im Laufe der Geschichte der Galaxie viel Staub produziert haben, bevor sie explodierten und Schwarze Löcher bildeten“, sagt Patrick Morris, Astrophysiker am Caltech in Pasadena, Kalifornien, und Mitautor der neuen Studie. „Ich denke, mit JWST werden wir viel mehr darüber lernen, wie diese Sterne das Material zwischen den Sternen formen und neue Sternentstehung in Galaxien auslösen.“

Weitere Informationen:
Das „James Webb Space Telescope“ (JWST) ist ein weltweit führendes Observatorium für Weltraumforschung. Das JWST wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick in ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Das JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Kanadischen Weltraumorganisation CSA.

Das „Mid-infrared Instrument“ (MIRI) wurde im Rahmen einer 50:50-Partnerschaft zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation ESA entwickelt. Das JPL leitete die amerikanischen Aktivitäten beim Bau von MIRI, und ein multinationales Konsortium europäischer astronomischer Institute trug den Anteil für die ESA bei. George Rieke von der University of Arizona ist der Leiter des MIRI-Wissenschaftsteams in den USA. Gillian Wright vom U.K. Astronomy Technology Centre ist die europäische Leiterin des MIRI-Projekts. Alistair Glasse vom britischen ATC ist der MIRI-Instrumentenwissenschaftler, und Michael Ressler ist der US-Projektwissenschaftler am JPL. Laszlo Tamas von UK ATC leitet das europäische Konsortium. Die Entwicklung des MIRI-Kryokühlers wurde vom JPL in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, geleitet und verwaltet.

Die Autoren der Veröffentlichung sind Ryan M. Lau, Matthew Hankins, Yinuo Han, Ioannis Argyriou, Michael F. Corcoran, Jan J. Eldridge, Izumi Endo, Ori D. Fox, Macarena Garcia Marin, Theodore R. Gull, Olivia C. Jones, Kenji Hamaguchi, Astrid Lamberts, David R. Law, Thomas Madura, Sergey V. Marchenko, Hideo Matsuhara, Anthony F.J. Moffat, Mark R. Morris, Patrick W. Morris, Takashi Onaka, Michael E. Ressler, Noel D. Richardson, Christopher M. P. Russell, Joel Sanchez-Bermudez, Nathan Smith, Anthony Soulain, Ian R. Stevens, Peter Tuthill, Gerd Weigelt, Peredur M. Williams und Ryodai Yamaguchi, darunter Gerd Weigelt vom MPIfR.

Originalveröffentlichung
Nested Dust Shells around the Wolf-Rayet Binary WR 140 from JWST, Ryan M. Lau et. al., in: Nature Astronomy, 12. Oktober 2022, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01812-x.

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