In den letzten Jahren endeten viele Berichte über astronomische Entdeckungen mit der Bemerkung: „Mehr Einblicke könnte bald das geplante James-Webb-Weltraumteleskop ermöglichen“. Nun befinden wir uns in dieser neuen Ära der Astronomie: Die ersten Bilder und Spektren, die Mitte Juli 2022 veröffentlicht wurden, sorgten bereits für Begeisterung. Sie verdeutlichten das erhöhte Leistungsvermögen des JWST im Vergleich zu den bis dahin verfügbaren Teleskopen: Es kann viel tiefer in den Kosmos blicken, astronomische Objekte in ganz neuer Detailschärfe abbilden und Lichtspektren besser aufschlüsseln. Es handelte sich um Ergebnisse des „Early Release Science Programs“, das Teilprojekte umfasst, die zunächst die grundlegende Funktionalität und das Potenzial des JWST für seine geplanten Forschungszwecke ausloten sollen. Einer der wichtigsten ist dabei die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten.
Das JWST sorgt für mehr „Durchblick“
Im Visier der Forschergruppen, die Teil der Transiting Exoplanet Community des Early Release Science Program sind, steht dabei der Planet WASP-39b. Er ist von uns etwa 700 Lichtjahre entfernt und gehört zur Kategorie der „heißen Jupiter“. Er besitzt zwar nur etwa die Masse des Saturn, aber einen 1,3-mal größeren Durchmesser als Jupiter. Seine extreme Ausdehnung hängt mit seiner Temperatur von etwa 900 Grad Celsius zusammen. Denn WASP-39 b umkreist seinen Stern sehr eng, in nur etwas mehr als vier Erdtagen. Die Astronomen haben ihn für die Erprobung des JWST ausgesucht, da sich seine aufgeblähte Atmosphäre für das Verfahren der Transit-Spektroskopie besonders eignet. Dabei werden Einblicke in Merkmale und die Zusammensetzung der Gashülle durch die „regenbogenartige Zerlegungen“ des Lichts möglich, das durch die Gashüllen schimmert, wenn die fernen Welten vor ihrem Zentralstern vorbeiziehen.
Die Astronomen der Transiting Exoplanet Community nutzten das JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transits von WASP-39b zu beobachten. Im August hatten die Wissenschaftler bereits den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b verkündet. Nun präsentieren sie weitere Ergebnisse, die in fünf Veröffentlichungen aufgeteilt wurden. Darin berichten sie über die Untersuchungen mit den spektrografischen Instrumente NIRCam und NIRSpec und NIRISS-SOSS des Webb-Teleskops, über die Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39b sowie über die Bedeutung der Ergebnisse.
Nachweis von Photochemie
Ein besonderes Highlight ist dabei die Klärung einer zunächst rätselhaften Auffälligkeit im Spektrum des Schimmer-Lichts. Es entpuppte sich als die Signatur von Schwefeldioxid, das jetzt erstmals in einer Exoplaneten-Atmosphäre nachgewiesen wurde. Das Besondere ist dabei: Es handelt sich um eine Substanz, die ähnlich wie das Ozon in der Erdatmosphäre durch photochemische Prozesse entsteht. Wie die Forscher erklären, bilden sich Schwefeldioxidmoleküle, wenn die Außenbereiche der Exoplaneten-Atmosphäre mit der hochenergetischen Strahlung des Sternes wechselwirken. Durch die Photonen bildent sich dabei aus den reichlich vorhandenen Wassermolekülen (H2O) Hydroxyl-Radikale (OH). Anschließend kommt es dann unter Beteiligung von Schwefelwasserstoff (H2S) zu chemischen Reaktionen, die zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) führen. „Es handelt sich dabei um das erste eindeutige photochemische Produkt, das in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen werden konnte, schreiben die Wissenschaftler.
