Das größte und leistungsstärkste Weltraumteleskop der NASA, das James Webb (JWST), hat in der jüngsten Demonstration seiner Fähigkeiten zum ersten Mal das von einem kleinen felsigen Exoplaneten emittierte Licht gemessen.
Das JWST hat den Kosmos gezeigt, wie es noch nie zuvor gesehen wurde, und beeindruckende Bilder von Galaxien und Nebeln mit einem Durchmesser von Lichtjahren aufgenommen.
Aber es ist auch in der Lage, viel kleinere Ziele wie Exoplaneten – Planeten außerhalb unseres Sonnensystems – zu erfassen.
Ein internationales Forscherteam verwendete das Teleskop, um die Temperatur eines felsigen Exoplaneten im TRAPPIST-1-Sternensystem zu messen, der Heimat der größten bekannten Gruppe von erdgroßen felsigen Planeten in der bewohnbaren Zone.
Die bewohnbare Zone bezieht sich darauf, dass der Standort eines Planeten nicht zu nah und nicht zu weit von seinem Wirtsstern entfernt ist, was bedeutet, dass die Temperaturen genau richtig sein könnten, damit sich flüssiges Wasser bildet und eine Atmosphäre aufrechterhalten wird.
Es besteht daher ein beträchtliches Interesse an den sieben bekannten Planeten innerhalb des TRAPPIST-1-Systems als potenzielle Kandidaten für Wirte für außerirdisches Leben.
Die Ergebnisse des JWST legen jedoch nahe, dass der Planet TRAPPIST-1 b keine nennenswerte Atmosphäre besitzt – und eine Tagestemperatur von rund 230 Grad Celsius hat.
Die Messung basiert auf der thermischen Emission des Planeten – Wärmeenergie, die in Form von Infrarotlicht abgegeben wird, das von Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) erfasst wird.
Erster Nachweis von Licht von einem kleinen felsigen Exoplaneten
Der Messwert ist die erste Entdeckung von Licht von einem Exoplaneten, der so klein und möglicherweise kühl ist wie die felsigen Planeten in unserem eigenen Sonnensystem – ein wichtiger Schritt bei der Bestimmung, ob Planeten, die kleine aktive Sterne umkreisen, Atmosphären aufrechterhalten könnten, die zur Unterstützung des Lebens erforderlich sind.
Die Forscher sagen auch, dass dies eine gute Demonstration von Webbs Fähigkeit ist, erdgroße Exoplaneten mit MIRI zu untersuchen.
„Diese Beobachtungen nutzen Webbs Mittelinfrarot-Fähigkeit wirklich aus“, sagte Thomas Greene, Astrophysiker am Ames Research Center der NASA und Hauptautor der am Dienstag in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie. „Kein früheres Teleskop hatte die Empfindlichkeit, solch schwaches Licht im mittleren Infrarotbereich zu messen.“
Die Planeten TRAPPIST-1 wurden 2017 entdeckt und umkreisen den ultrakühlen roten Zwergstern, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Besonderes Interesse erregten sie wegen ihrer offensichtlichen Ähnlichkeit mit den inneren Planeten unseres Sonnensystems.
Während sie alle viel näher um ihren Stern kreisen als jeder andere Planet in unserem Sonnensystem (innerhalb der Umlaufbahn von Merkur, der unserer Sonne am nächsten ist), erhalten sie vergleichbare Energiemengen von ihrem winzigen Stern.
Während sich TRAPPIST-1 b nicht in der habitablen Zone befindet, liefert es den Forschern wichtige Informationen über seine Nachbarplaneten – und andere um ähnliche Sterne.
„Es gibt zehnmal so viele dieser Sterne in der Milchstraße wie Sterne wie die Sonne, und es ist doppelt so wahrscheinlich, dass sie Gesteinsplaneten haben als Sterne wie die Sonne“, erklärte Greene. „Aber sie sind auch sehr aktiv – sie sind sehr hell, wenn sie jung sind, und sie geben Fackeln und Röntgenstrahlen ab, die eine Atmosphäre auslöschen können.“
Co-Autorin Elsa Ducrot von der Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) in Frankreich, die zu dem Team gehörte, das die ersten Studien des TRAPPIST-1-Systems durchführte, fügte hinzu: „Es ist einfacher, terrestrische Planeten um kleinere, kühlere Sterne zu charakterisieren . Wenn wir die Bewohnbarkeit um M-Sterne herum verstehen wollen, ist das TRAPPIST-1-System ein großartiges Labor. Dies sind die besten Ziele, die wir haben, um die Atmosphären von Gesteinsplaneten zu untersuchen.“
Eine Atmosphäre erkennen
Das Team verwendete eine Technik namens sekundäre Sonnenfinsternis-Photometrie, bei der MIRI die Helligkeitsänderung des Systems maß, während sich der Planet hinter den Stern bewegte.
TRAPPIST-1 b ist nicht heiß genug, um sein eigenes Licht abzugeben, aber es hat einen Infrarotfluss. Indem die Helligkeit des Sterns von der Helligkeit des Sterns und des Planeten zusammen subtrahiert wurde, konnten die Forscher erfolgreich berechnen, wie viel Infrarotlicht der Planet abgibt.
Die Ergebnisse zeigen, wie mächtig Webb ist. Der Stern ist mehr als 1.000-mal heller als der Planet, und eine Helligkeitsänderung, wenn der Planet in einer Sonnenfinsternis steht, beträgt weniger als 0,1 Prozent.
„Es gab auch einige Befürchtungen, dass wir die Sonnenfinsternis verpassen würden. Die Planeten ziehen alle aneinander, daher sind die Umlaufbahnen nicht perfekt“, sagte Taylor Bell, Postdoktorand am Bay Area Environmental Research Institute, der die Daten analysierte.
„Aber es war einfach erstaunlich: Der Zeitpunkt der Sonnenfinsternis, den wir in den Daten sahen, stimmte innerhalb weniger Minuten mit dem vorhergesagten Zeitpunkt überein.“
Die Analyse der Daten von fünf separaten sekundären Sonnenfinsternis-Beobachtungen zeigt, dass TRAPPIST-1 b eine Tagestemperatur von etwa 230 °C hat. Das Team hält die wahrscheinlichste Interpretation für die wahrscheinlichste Interpretation, dass der Planet keine Atmosphäre hat.
„Wir haben die Ergebnisse mit Computermodellen verglichen, die zeigen, wie die Temperatur in verschiedenen Szenarien sein sollte“, erklärte Ducrot.
„Die Ergebnisse stimmen fast perfekt mit einem schwarzen Körper aus nacktem Gestein und ohne Atmosphäre überein, die die Wärme zirkulieren lässt. Wir haben auch keine Anzeichen dafür gesehen, dass Licht von Kohlendioxid absorbiert wird, was in diesen Messungen offensichtlich wäre.“
‘Hot Jupiter’ liefert unerwartete Ergebnisse
Noch ein Papier gerade in der Zeitschrift Nature erschienen erzielte mit JWST auch Durchbrüche in Bezug auf Planetenatmosphären – aber dieses Mal befasste es sich mit Gasriesen.
Gasriesen, die unsere Sonne umkreisen, haben ein klares Muster, stellen die Forscher fest: Je massereicher der Planet, desto geringer der Anteil schwerer Elemente (alles andere als Wasserstoff oder Helium) in der Atmosphäre.
Mithilfe von Webb konnten sie jedoch bestätigen, dass Gasriesen in anderen Sternensystemen nicht diesem Muster entsprechen.
Als sie einen sogenannten „heißen Jupiter“ betrachteten, der einen unserer Sonne vergleichbaren Stern umkreist, stellten sie fest, dass die Atmosphäre überreichlich an schwereren Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff ist.