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Montag Januar 30, 2023

Nie zuvor gesehenes Molekül: Webb enthüllt eine „heiße Saturn“-Exoplanetenatmosphäre

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Diese Abbildung zeigt den Exoplaneten WASP-39 b und seinen Stern. Bildnachweis: Melissa Weiss/Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian

Neue Beobachtungen des Webb-Weltraumteleskops von WASP-39 b enthüllen unter anderem ein nie zuvor gesehenes Molekül in der Atmosphäre eines Planeten – Schwefeldioxid.

Die hochempfindlichen Instrumente des Teleskops wurden auf die Atmosphäre von WASP-39 b, einer „heißen

Saturn
Saturn ist der sechste Planet von der Sonne und hat die zweitgrößte Masse im Sonnensystem. Es hat eine viel geringere Dichte als die Erde, aber ein viel größeres Volumen. Der Name Saturn stammt von dem römischen Gott des Reichtums und der Landwirtschaft.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Saturn” befindet sich etwa 700 Lichtjahre entfernt. Ein heißer Saturn ist ein Exoplaneten Das ist etwa so massereich wie Saturn und umkreist einen Stern so eng, dass er hohe Temperaturen der Oberflächenatmosphäre aufweist. Obwohl Webb und andere Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Spitzer, zuvor isolierte Bestandteile der Atmosphäre dieses brodelnden Planeten entdeckt haben, bieten die neuen Messwerte ein vollständiges Menü von Atomen, Molekülen und sogar Anzeichen von aktiver Chemie und Wolken.

„Die Klarheit der Signale von einer Reihe verschiedener Moleküle in den Daten ist bemerkenswert“, sagt Mercedes López-Morales, Astronomin am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian und einer der Wissenschaftler, die zu den neuen Ergebnissen beigetragen haben.

„Wir hatten vorhergesagt, dass wir viele dieser Signale sehen würden, aber als ich die Daten zum ersten Mal sah, war ich beeindruckt“, fügt López-Morales hinzu.

Die neuesten Daten geben auch einen Hinweis darauf, wie diese Wolken auf Exoplaneten aus der Nähe aussehen könnten: eher gebrochen als eine einzige, einheitliche Decke über dem Planeten.

Die Ergebnisse sind ein gutes Zeichen für die Fähigkeit von Webb, das breite Spektrum an Untersuchungen auf Exoplaneten – Planeten um andere Sterne – durchzuführen, auf die sich die Wissenschaftler erhofft hatten. Dazu gehört auch die Untersuchung der Atmosphären kleinerer Gesteinsplaneten wie denen im TRAPPIST-1-System.

„Wir haben das beobachtet

Exoplaneten
Ein Exoplanet (oder extrasolarer Planet) ist ein Planet, der sich außerhalb unseres Sonnensystems befindet und einen anderen Stern als die Sonne umkreist. Der erste vermutete wissenschaftliche Nachweis eines Exoplaneten erfolgte 1988, die erste Nachweisbestätigung kam 1992.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Exoplanet mit mehreren Instrumenten, die zusammen einen breiten Bereich des Infrarotspektrums liefern und eine Palette chemischer Fingerabdrücke, die bis Webb unzugänglich waren“, sagte Natalie Batalha, Astronomin an der University of California, Santa Cruz, die zu der neuen Forschung beitrug und half, sie zu koordinieren. „Daten wie diese sind ein Game Changer.“

Beobachtungen des Webb-Weltraumteleskops von WASP-39 b zeigen Schwefeldioxid in der Atmosphäre. Dies ist das erste Mal, dass dies in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen wurde. Bildnachweis: Melissa Weiss/Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian

Die Reihe der Entdeckungen wird in einer Reihe von fünf neu eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten detailliert beschrieben, die auf dem Preprint-Server arXiv verfügbar sind. Zu den beispiellosen Enthüllungen gehört der erste Nachweis von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten, einem Molekül, das durch chemische Reaktionen entsteht, die durch hochenergetisches Licht des Muttersterns des Planeten ausgelöst werden. Auf der Erde entsteht auf ähnliche Weise die schützende Ozonschicht in der oberen Atmosphäre.

„Der überraschende Nachweis von Schwefeldioxid bestätigt schließlich, dass die Photochemie das Klima heißer Saturns prägt“, sagt Diana Powell, a

NASA
Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) wurde 1958 gegründet und ist eine unabhängige Behörde der US-Bundesregierung, die die Nachfolge des National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) angetreten hat. Es ist zuständig für das zivile Raumfahrtprogramm sowie die Luft- und Raumfahrtforschung. Seine Vision ist „Wissen zum Wohle der Menschheit zu entdecken und zu erweitern“. Seine Kernwerte sind „Sicherheit, Integrität, Teamwork, Exzellenz und Inklusion“.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>NASA Hubble Fellow, Astronom am Zentrum für Astrophysik und Kernmitglied des Teams, das machte die Schwefeldioxid-Entdeckung. „Auch das Klima der Erde wird von der Photochemie geprägt, daher hat unser Planet mehr mit ‚heißen Saturns‘ gemeinsam, als wir bisher wussten!“

Jea Adams, Doktorandin in Harvard und Forscherin am Center for Astrophysics, analysierte die Daten, die das Schwefeldioxidsignal bestätigten.

„Als Nachwuchsforscher auf dem Gebiet der Atmosphären von Exoplaneten ist es so aufregend, Teil einer Entdeckung wie dieser zu sein“, sagt Adams. „Der Prozess der Analyse dieser Daten fühlte sich magisch an. Wir haben Hinweise auf dieses Merkmal in frühen Daten gesehen, aber dieses Instrument mit höherer Präzision zeigte die Signatur von SO2 deutlich und half uns, das Rätsel zu lösen.“

Die atmosphärische Zusammensetzung des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b wurde vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA enthüllt. Diese Grafik zeigt vier Transmissionsspektren von drei Instrumenten von Webb, die in vier Instrumentenmodi betrieben werden. Oben links zeigen Daten von NIRISS Fingerabdrücke von Kalium (K), Wasser (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Oben rechts zeigen Daten von NIRCam eine markante Wassersignatur. Unten links zeigen Daten von NIRSpec Wasser, Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) an. Unten rechts zeigen zusätzliche NIRSpec-Daten all diese Moleküle sowie Natrium (Na). Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Bei einer geschätzten Temperatur von 1,600 Grad

Fahrenheit
Die Fahrenheit-Skala ist eine Temperaturskala, die nach dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit benannt ist und auf einer von ihm 1724 vorgeschlagenen basiert. In der Fahrenheit-Temperaturskala liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 32 °F und Wasser kocht bei 212 °F, a 180 °F Trennung, wie auf Meereshöhe und normalem atmosphärischem Druck definiert. 

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Fahrenheit und eine Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, wird WASP-39 b nicht zugetraut bewohnbar sein. Der Exoplanet wurde sowohl mit Saturn als auch mit Saturn verglichen

Jupiter
Jupiter ist der größte Planet im Sonnensystem und der fünfte Planet von der Sonne aus. Es ist ein Gasriese mit einer Masse, die größer ist als alle anderen Planeten zusammen. Sein Name stammt von dem römischen Gott Jupiter.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Jupiter, mit einer ähnlichen Masse wie Saturn, aber einer Gesamtgröße so groß wie Jupiter . Aber die neue Arbeit weist den Weg, Beweise für potenzielles Leben auf einem bewohnbaren Planeten zu finden.

Die Nähe des Planeten zu seinem Mutterstern – achtmal näher als Merkur an unserer Sonne – macht ihn auch zu einem Labor für die Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung von Muttersternen auf Exoplaneten. Eine bessere Kenntnis der Stern-Planeten-Verbindung sollte ein tieferes Verständnis dafür bringen, wie diese Prozesse die Vielfalt der in der Galaxie beobachteten Planeten erzeugen.

Andere atmosphärische Bestandteile, die von Webb entdeckt wurden, umfassen Natrium, Kalium und Wasserdampf, was frühere Weltraum- und bodengestützte Teleskopbeobachtungen bestätigt und zusätzliche Wassermerkmale bei längeren Wellenlängen entdeckt, die zuvor noch nicht gesehen wurden.

Webb sah auch Kohlendioxid mit höherer Auflösung und lieferte doppelt so viele Daten wie aus früheren Beobachtungen. Währenddessen wurde Kohlenmonoxid festgestellt, aber offensichtliche Signaturen von Methan und Schwefelwasserstoff fehlten in den Daten. Falls vorhanden, kommen diese Moleküle in sehr geringen Mengen vor, ein bedeutender Befund für Wissenschaftler, die Inventare der Exoplanetenchemie erstellen, um die Entstehung und Entwicklung dieser fernen Welten besser zu verstehen.

Die Erfassung eines so breiten Spektrums der Atmosphäre von WASP-39 b war eine wissenschaftliche Tour de Force, da ein internationales Team, das Hunderte zählte, unabhängig voneinander Daten von vier von Webbs fein kalibrierten Instrumentenmodi analysierte. Anschließend führten sie detaillierte Vergleiche ihrer Ergebnisse durch, die zu noch wissenschaftlich nuancierteren Ergebnissen führten.

Webb betrachtet das Universum im Infrarotlicht, am roten Ende des Lichtspektrums jenseits dessen, was das menschliche Auge sehen kann; Dadurch kann das Teleskop chemische Fingerabdrücke aufnehmen, die im sichtbaren Licht nicht erkannt werden können.

Jedes der drei Instrumente hat sogar eine Version des „IR“ von Infrarot in seinem Namen: NIRSpec, NIRCam und NIRISS.

Um Licht von WASP-39 b zu sehen, verfolgte Webb den Planeten, als er vor seinem Stern vorbeizog, und ließ einen Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten filtern. Verschiedene Arten von Chemikalien in der Atmosphäre absorbieren verschiedene Farben des Sternenlichtspektrums, sodass die fehlenden Farben den Astronomen sagen, welche Moleküle vorhanden sind.

Durch die so präzise Analyse einer Exoplanetenatmosphäre haben die Webb-Instrumente die Erwartungen der Wissenschaftler weit übertroffen – und versprechen eine neue Phase der Erforschung der breiten Vielfalt von Exoplaneten in der Galaxie.

López-Morales sagt: „Ich freue mich darauf, zu sehen, was wir in der Atmosphäre kleiner, terrestrischer Planeten finden.“

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Webb der NASA enthüllt einen Exoplaneten, der anders ist als jeder andere in unserem Sonnensystem.

Referenz: „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere“ von Shang-Min Tsai, Elspeth KH Lee, Diana Powell, Peter Gao, Xi Zhang, Julianne Moses, Eric Hébrard, Olivia Venot, Vivien Parmentier, Sean Jordan, Renyu Hu, Munazza K. Alam, Lili Alderson, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Benneke, Carver J. Bierson, Ryan P. Brady, Ludmila Carone, Aarynn L. Carter, Katy L. Chubb, Julie Inglis, Jérémy Leconte, Mercedes Lopez-Morales, Yamila Miguel, Karan Molaverdikhani, Zafar Rustamkulov, David K. Sing, Kevin B. Stevenson, Hannah R. Wakeford, Jeehyun Yang, Keshav Aggarwal, Robin Baeyens, Saugata Barat, Miguel de Val Borro, Tansu Daylan, Jonathan J. Fortney, Kevin France, Jayesh M. Goyal, David Grant, James Kirk, Laura Kreidberg, Amy Louca, Sarah E. Moran, Sagnick Mukherjee, Evert Nasedkin, Kazumasa Ohno, Benjamin V. Rackham, Seth Redfield, Jake Taylor, Pascal Tremblin, Channon Visscher, Nicole L. Wallack, Luis Welbanks, Allison Youngblood, Eva-Maria Ahrer, Natasha E. Batalha, Patrick Behr, Zachory K. Berta-Thompson, Jasmina Blecic, SL Casewell, Ian JM Crossfield, Nicolas Crouzet, Patricio E. Cubillos, Leen Decin, Jean-Michel Désert, Adina D. Feinstein, Neale P. Gibson, Joseph Harrington, Keivn Heng, Thomas Henning, Eliza M.-R. Kempton, Jessica Krick, Pierre-Olivier Lagage, Monika Lendl, Michael Line, Joshua D. Lothringer, Megan Mansfield, NJ Mayne, Thomas Mikal-Evans, Enric Palle, Everett Schlawin, Oliver Shorttle, Peter J. Wheatley und Sergei N. Yurchenko , 18. November 2022, Astrophysik > Astrophysik der Erde und der Planeten.
arXiv: 2211.10490

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