Wichtiger Meilenstein: Astronomen haben die Atmosphäre eines Exoplaneten so umfassend wie nie zuvor analysiert – und wichtige Einblicke in Chemie und Bildung solcher Planeten gewonnen. Durch Spektraldaten des James-Webb-Weltraumteleskops wiesen sie auf dem heißen Gasriesen WASP-39b neben Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid Natrium und Kalium auch erstmals Schwefeldioxid nach. Die Anreicherung der Atmosphäre mit schweren Elementen und Sauerstoff liefern zudem Indizien dafür, wie und wo dieser Planet einst entstanden ist.
Die Atmosphäre eines Planeten birgt eine Fülle an Informationen: Sie verrät, wie seine Gashülle und Oberfläche beschaffen sind, welche Prozesse auf dem Planeten ablaufen, wie er sich entwickelt hat und nicht zuletzt, ob auf ihm Leben existiert. Während einige Elemente und Moleküle wie Wasser oder Natrium schon früher auf Exoplaneten nachgewiesen wurden, reichte die Auflösung der Teleskope nicht aus, um die Atmosphären genauer aufzuschlüsseln.
Erst mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop hat sich dies geändert. Vor allem der Spektrograph NIRSpec und das NIRISS-Instrument sind darauf ausgelegt, hochauflösende Nahinfrarot-Spektren von Exoplaneten und ihren Gashüllen zu erstellen. Wandert ein solcher Planet vor seinem Stern vorüber, hinterlassen die Atome und Moleküle in ihren Gashüllen charakteristische Absorptionslinien im Lichtspektrum. Schon im August 2022 war es Astronomen so gelungen, erstmals die Signatur von Kohlendioxid (CO2) bei einem Exoplaneten nachzuweisen.
Dreifacher Blick auf einen Exoplaneten
Jetzt legen die Astronomen nach: In gleich fünf Fachartikeln liefern sie die bisher umfassendste Bestandsaufnahme einer Exoplaneten-Atmosphäre. Wie schon beim CO2-Nachweis stand der rund 700 Lichtjahre entfernte Exoplanet WASP-39b im Zentrum der Beobachtungen. Dieser heiße Gasriese hat die Masse des Saturn, ist aber bis auf die 1,3-fache Größe des Jupiter aufgebläht. Dadurch ist seine weit hinausreichende Gashülle in Transitspektren besonders gut erkennbar.
Für ihre Studie haben die Astronomenteams den Gasriesen WASP-39b im Sommer 2022 mit drei der vier Instrumente des Webb-Teleskops ins Visier genommen: NIRCam, NIRSpec und NIRISS. Diese erstellten Spektren der exoplanetaren Atmosphäre in verschiedenen Ausschnitten des nahinfraroten Wellenbereichs. Zusammen liefern sie nun die bisher umfassendste Charakterisierung einer Exoplaneten-Atmosphäre.
Kein Methan und der erste Nachweis von Schwefeldioxid
Konkret ergaben die Beobachtungen, dass die Atmosphäre von WASP-39b neben dem schon detektierten Kohlendioxid und Wasser auch Kohlenmonoxid, Natrium und Kalium enthält. Die typischen Absorptionslinien dieser Elemente und Moleküle waren in den Spektren fast aller Instrumente deutlich zu erkennen. Ebenfalls deutlich wurde, dass die Gashülle von WASP-39b offenbar kein Methan enthält – anders als einige Gasriesen in unserem Sonnensystem.
Auffallend auch: Die Spektren der Instrumente NIRCam und NIRSpec zeigten eine deutliche Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von 4,05 Mikrometern, die sich zuerst nicht zuordnen ließ. Doch auf Basis von Vergleichen mit Modellspektren kamen die Astronomen zu dem Schluss, dass diese Signatur von einem weiteren, zuvor noch nicht bei Exoplaneten nachgewiesenen Molekül stammt: Schwefeldioxid (SO2).
Indiz für photochemische Prozesse
„Während Schwefeldioxid auf terrestrischen Welten wie der Erde, Venus oder dem Jupitermond Io allgegenwärtig ist und meist durch Vulkane ausgegast wird, ist dies bei Gasriesen grundlegend anders“, erklären Shang-Min Tsai von der University of Oxford und seine Kollegen. Im thermochemischen Gleichgewicht der unteren Atmosphäre kommt Schwefel auf diesen Planeten vorwiegend in reduzierter Form als Schwefelwasserstoff (H2S) vor.
Die Menge des bei WASP-39b nachgewiesenen Schwefeldioxids ist demnach deutlich höher als erwartet. Dies spricht dafür, dass in der Gashülle dieses heißen Gasriesen aktive chemische Prozesse ablaufen, die das Gleichgewicht verschieben und den Schwefel oxidieren. Tsai und sein Team vermuten, dass die intensive UV-Strahlung auf dem sehr nah an seinem Stern kreisenden Planeten diese Reaktionen anstößt. Demnach erzeugt die UV-Strahlung Wasserstoff und Hydroxyl-Radikale (OH), die dann über mehrere Schritte den Schwefelwasserstoff zerlegen und Schwefeldioxid entstehen lassen.
Wie ist WASP-39b entstanden?
Interessant auch: Das Schwefeldioxid zusammen mit den Verhältnissen verschiedener Elemente zu Sauerstoff legen nahe, dass die Atmosphäre von WASP-39b zehn bis 30-mal mehr schwere Elemente enthält als beispielsweise sein Zentralstern oder die Sonne. Außerdem ist der Anteil flüchtiger Elemente auffallend niedrig, die von Metallen und Silikaten mit hohem Schmelz- und Siedepunkt hingegen relativ hoch, wie die Forschenden ermittelten.
Dies liefert entscheidende Hinweise auf die Entstehungsgeschichte dieses Exoplaneten. Denn Modellen zufolge wäre es möglich, dass große Gasplaneten direkt durch den Kollaps von dichten Gasklumpen in der protoplanetaren Scheibe eines Sterns entstehen. Als Indiz dafür gilt ein erhöhter Anteil flüchtiger, leichter Elemente. „Im Gegensatz dazu führt die Anreicherungen mit Feststoffen, wie bei der Akkretion von Planetesimalen, zu einem erhöhten Anteil von schwerflüchtigen Elementen“, erklären Adina Feinstein von der University of Chicago und ihr Team.
Daraus ergibt sich: WASP-39b ist wahrscheinlich ähnlich entstanden wie Saturn und Jupiter in unserem Sonnensystem: Erst wuchs ein fester Planetenkern durch Zusammenballung vieler kleiner und größerer Brocken heran. Dann zog seine wachsende Schwerkraft große Mengen Gas an sich. Die Spektraldaten sprechen zudem dafür, dass WASP-39b weiter außen in der protoplanetaren Scheibe heranwuchs und dann erst später nach innen in die Nähe seines Sterns wanderte.
„Solche Daten sind ein Wendepunkt“
Zusammen haben diese neuen Daten den Astronomen einen detaillierteren Blick auf die Atmosphäre eines Exoplaneten ermöglicht als je zuvor. „Daten wie diese sind ein Wendepunkt“, sagt Natalia Batalha von der University of California in Santa Cruz. Denn solche Daten liefern ganz neue Einblicke in die Chemie, Physik und Entwicklung extrasolarer Welten – und könnten eines Tages sogar zur Entdeckung von außerirdischem Leben führen.
Gleichzeitig unterstreichen die Ergebnisse, dass das James-Webb-Teleskop die hohen Erwartungen bisher mehr als erfüllt. „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die weiteren erstaunlichen wissenschaftlichen Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind“, kommentiert Laura Kreidberg, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg. (Nature, in press)
Quelle: Nature, Max-Planck-Institut für Astronomie
