Quelle: NASA Webb Mission Team, 10. Juni 2026

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Vasily Kokorev von der University of Texas at Austin hat den betreffenden Glückstreffer identifiziert: GLIMPSE-17775. Durch die sorgfältige Analyse des von Webb erfassten Spektrums des Punktes – das bislang tiefste Spektrum eines kleinen roten Punktes – hat das Forschungsteam mehrere Indizien identifiziert, die alle die Interpretation stützen, dass GLIMPSE-17775 ein supermassives Schwarzes Loch ist, das von einem dichten Kokon aus teilweise ionisiertem Gas umhüllt ist – ein Modell, das als BH*-Szenario (Black Hole Star) bezeichnet wird. Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, wurde heute in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

„Ich glaube, ein Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft tendiert zu einer einheitlichen Sichtweise – nämlich dass sich die kleinen roten Punkte durch Modelle von Schwarzen Löchern erklären lassen. Aber bei keinem der bisherigen kleinen roten Punkte lagen alle Beweise an einem Ort vor“, sagte Kokorev, der Hauptautor der Studie. „Bei GLIMPSE-17775 können wir diese Modelle überprüfen, da das Spektrum dieser Quelle so tief und beeindruckend ist.“

Abell S1063 mit Ausschnitt von GLIMPSE-17775 (NIRCam-Aufnahme)

Zusammenfügen der Puzzleteile

Kurz nachdem Webb seinen wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen hatte, entdeckte er eine neue, mysteriöse Art von Objekten im sehr frühen Universum – zahlreiche rote Objekte, die etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden waren. Wissenschaftler haben verschiedene Erklärungen für diese kleinen roten Punkte untersucht, darunter auch das Szenario der „Black-Hole-Stars“.

Eine Reihe glücklicher Umstände führte zu diesem neuen, detaillierten Spektrum eines kleinen roten Punktes. Der kleine rote Punkt, der später als GLIMPSE-17775 bekannt wurde, war glücklicherweise Teil von Webbs Bildgebungs- und Spektroskopiearbeiten für ein Projekt, das nach Population-III-Sternen und schwachen Galaxien im Galaxienhaufen Abell S1063 suchte. Dieser kleine rote Punkt ist weiter entfernt als der Galaxienhaufen und wird durch Gravitationslinsen vergrößert. (GLIMPSE-17775 hat eine kosmologische Rotverschiebung von 3,5, was bedeutet, dass er etwa 1,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte.)

Während Webb ein 30-stündiges Spektrum des kleinen roten Flecks lieferte, entsprach der Effekt der Gravitationslinsenwirkung einer Teleskopbeobachtungszeit von 80 Stunden. Diese Kombination aus Webbs Infrarotempfindlichkeit und der „Lupe“ der Natur verstärkte die Detailgenauigkeit, die aus GLIMPSE-17775 gewonnen werden konnte. Das Ergebnis waren mehr als 40 Spektrallinien von dieser kleinen, roten Quelle – das bislang detaillierteste Spektrum dieses kleinen roten Punktes.

„Als wir das Spektrum zum ersten Mal sahen, war es, als lägen alle Teile eines Puzzles auf dem Boden verstreut“, sagte Kokorev. „Wir nahmen jedes Puzzleteil in die Hand, maßen die Linien und begannen, die verschiedenen Teile zu einem Mosaik zusammenzusetzen. Vielleicht sahen einige Teile zunächst nach nichts aus, aber dann fügten sich ein paar von ihnen zusammen, und wir erkannten, dass da etwas war.“

Die von Webb gesammelten spektroskopischen Daten liefern zahlreiche Belege für die Interpretation, dass der kleine rote Punkt GLIMPSE-17775 ein „Black Hole Star“ ist: ein schnell akkretierendes oder wachsendes Schwarzes Loch, das von einem dichten Gaskokon umhüllt ist, der das aus der Nähe des Schwarzen Lochs ausgestrahlte Licht umwandelt und die im Spektrum beobachteten Merkmale erzeugt.

Hinweise auf einen „Black Hole Star“

Eine Reihe von Indizien

Unter den mehr als 40 Spektrallinien, die das Team im Spektrum von GLIMPSE-17775 nachweisen konnte, befanden sich verschiedene unabhängige Indikatoren, die alle mit dem BH*-Szenario übereinstimmen. So stellte das Team beispielsweise fest, dass viele der Spektrallinien, wie etwa die von Wasserstoff, Sauerstoff und Helium, nicht in ein einfaches Modell einer rotierenden Gaswolke passen. Stattdessen beinhaltet das am besten passende Modell einen als Elektronenstreuung bekannten Verbreiterungseffekt – ein eindeutiges Anzeichen dafür, dass diese Quelle von einem dichten, geschichteten Gaskokon umhüllt ist.

Die Stärke und die Verhältnisse bestimmter Linien zueinander, insbesondere der 16 Eisenlinien, die das bilden, was das Team als „Eisenwald“ bezeichnet hat, sowie bestimmter Sauerstofflinien, erfordern eine hochenergetische Quelle, um sie zu erzeugen, wie beispielsweise ein schnell akkretierendes Schwarzes Loch. Darüber hinaus stellten die Astronomen die Fluoreszenz und Absorption von Helium im Spektrum fest, die beide für sich genommen darauf hindeuten, dass ein dichtes Medium eine leistungsstarke Quelle umhüllt.

Das BH*-Szenario passt nicht nur zu GLIMPSE-17775, sondern erklärt auch, warum die meisten kleinen roten Punkte im Röntgenlicht schwach leuchten, da eine solche Strahlung wahrscheinlich vom dichten Gaskokon absorbiert wird.

Ein fehlendes Element im Puzzle von GLIMPSE-17775 ist der Teil des Spektrums, der einen sogenannten Balmer-Break offenbaren würde – also eine starke Absenkung im emittierten Licht, die ein charakteristisches Merkmal der kleinen roten Punkte ist. Um ein umfassenderes Verständnis dieses kleinen roten Punktes zu erlangen, bezog das Team Zusatzdaten aus zwei Beobachtungsprogrammen ein, die das Hubble-Weltraumteleskop der NASA nutzten: die Programme Frontier Fields und BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Die Daten von Webb und Hubble tragen gemeinsam dazu bei, zu erklären, warum der „Balmer Break“ schwächer ist als bei anderen „Little Red Dots“ üblich: GLIMPSE-17775 wird von einer riesigen Wirtsgalaxie umgeben. Auch wenn die Wirtsgalaxie eines „Little Red Dot“ bisher in dieser Größenordnung noch nicht häufig beobachtet wurde, steht dies nicht im Widerspruch zum Modell des dichten Gaskokons. Das „Black Hole Star“-Modell der „Little Red Dots“ führt das überschüssige blaue Licht auf Sterne in der Wirtsgalaxie zurück.

Als Webb erstmals kleine rote Punkte entdeckte, dachten einige Forscher, diese Objekte hätten die „Kosmologie auf den Kopf gestellt“, da sie sich nicht sicher waren, wie Galaxien im frühen Universum so schnell so groß werden konnten, um all dieses Licht zu erklären, das von ihren Sternen stammt. Das Team ist jedoch der Ansicht, dass das Puzzleteil GLIMPSE-17775 gut in den bestehenden Rahmen der Entwicklungsgeschichte des Universums passt, da die Massen der Schwarzen Löcher nicht so hoch sein müssen, um die breiten Emissionslinien zu erklären.

„Alles passt zusammen, nichts ist fehlerhaft, und ich glaube, das macht das Puzzle, das unser Universum darstellt, noch spannender“, sagte Kokorev. „Mit Blick auf die Zukunft freue ich mich darauf, noch tiefer einzutauchen und herauszufinden, was die zentralen Antriebe dieser kleinen roten Punkte antreibt. Wir gehen zwar davon aus, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt, doch es werden auch einige andere interessante Theorien vorgeschlagen, was sehr spannend ist. Vielleicht haben wir in ein oder zwei Jahren die endgültige Antwort darauf, was diese Quellen antreibt.“

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumwissenschaft. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt darüber hinaus auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums sowie unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern, der ESA und der CSA.

Um mehr über Webb zu erfahren, besuchen Sie: https://science.nasa.gov/webb

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: NASA Webb Mission Team, 20. Januar 2026

Auf dem Bild der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des Webb-Teleskops zeichnen sich Säulen ab, die wie Kometen mit langen Schweifen aussehen und den Umfang des inneren Bereichs einer expandierenden Gashülle nachzeichnen. Hier prallen glühende Winde aus schnell strömendem, heißem Gas des sterbenden Sterns auf langsamere, kältere Hüllen aus Staub und Gas, die zu Beginn seiner Lebenszeit abgestoßen wurden, und formen so die bemerkenswerte Struktur des Nebels.

Der ikonische Helixnebel wurde in den fast zwei Jahrhunderten seit seiner Entdeckung von zahlreichen boden- und weltraumgestützten Observatorien abgebildet. Die Nahinfrarotaufnahme des Webb-Teleskops zeigt diese Verdichtungen im Vergleich zu dem eher ätherischen Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, während die höhere Auflösung die Schärfe der Aufnahme des außer Dienst gestellten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA übertrifft. Darüber hinaus zeigt die neue Nahinfrarotaufnahme den deutlichen Übergang zwischen dem heißesten und dem kühlsten Gas, während sich die Hülle vom zentralen Weißen Zwerg ausdehnt.

Ein gleißend heller Weißer Zwerg, der Überrest des sterbenden Sterns, liegt mitten im Nebel, außerhalb des Bildausschnitts des Webb-Teleskops. Seine intensive Strahlung erhellt das umgebende Gas und erzeugt ein farbenprächtiges Spektrum: heißes, ionisiertes Gas in unmittelbarer Nähe des Weißen Zwergs, kühlerer molekularer Wasserstoff weiter außen und schützende Bereiche, in denen sich in Staubwolken komplexere Moleküle bilden können. Diese Wechselwirkung ist von entscheidender Bedeutung, denn sie liefert das Ausgangsmaterial, aus dem in anderen Sternsystemen eines Tages neue Planeten entstehen könnten.

Auf Webbs Aufnahme des Helixnebels repräsentiert die Farbe die Temperatur und die chemische Zusammensetzung. Ein Hauch von Blau markiert das heißeste Gasfeld, das durch die intensive ultraviolette Strahlung des Weißen Zwergs angeregt wird. Weiter außen kühlt das Gas ab, Bereiche in denen sich Wasserstoffatome zu Molekülen verbinden, sind in gelb dargestellt. An den äußeren Rändern zeichnen die rötlichen Töne das kühlste Material nach, wo das Gas dünner wird und sich Staub bilden kann. Zusammengenommen zeigen die Farben, wie der letzte Atemzug des Sterns sich in die Rohstoffe für neue Welten verwandelt und so den Wissensschatz, den Webb über den Ursprung von Planeten gewonnen hat, erweitert.

Spitzers Untersuchungen des Helixnebels deuteten auf die Bildung komplexerer Moleküle hin, doch Webbs Auflösung zeigt, wie diese in abgeschirmten Bereichen des Nebels entstehen. Achten Sie auf dem Webb-Bild auf dunkle Bereiche inmitten des leuchtenden Oranges und Rots.

Der Helixnebel befindet sich 650 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Wassermann. Aufgrund seiner relativen Nähe zur Erde und seiner Ähnlichkeit mit dem „Auge Saurons“ ist er bei Hobbyastronomen und professionellen Astronomen gleichermaßen beliebt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumteleskop für die Weltraumforschung. Webb entschlüsselt Geheimnisse unseres Sonnensystems, richtet den Blick auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums sowie unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der CSA (Kanadische Weltraumagentur).

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

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• Planetarische Nebel

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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: 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 3. April 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Starburstgalaxien

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Quelle: MPIA 14. September 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität zu Köln 27. Juni 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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• JWST – James Webb Space Telescope

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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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