Der riesige Spiegel des Webb-Satelliten und die präzisen Instrumente ermöglichten die bisher detailliertesten Messungen des Sternenlichts, das durch die Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gefiltert wird
Das Lichtspektrum – das Informationen über den Aufbau einer Planetenatmosphäre in 1.150 Lichtjahren Entfernung enthält – zeigt deutliche Spuren von Wasser
Die Stärke des von Webb entdeckten Signals deutet auf die wichtige Rolle hin, die das Teleskop in den kommenden Jahren bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten spielen wird
Webb’s neuer Blick zeigt auch Hinweise auf Dunst und Wolken, die in früheren Studien zu diesem Planeten nicht entdeckt wurden.
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat in der Atmosphäre eines heißen, aufgeblasenen Gasriesenplaneten, der einen fernen, sonnenähnlichen Stern umkreist, die eindeutige Signatur von Wasser sowie Hinweise auf Wolken und Dunst eingefangen.
Die Beobachtung, die das Vorhandensein spezifischer Gasmoleküle anhand winziger Helligkeitsabnahmen präziser Lichtfarben aufzeigt, ist die bisher detaillierteste ihrer Art und beweist die beispiellose Fähigkeit von Webb, Atmosphären zu analysieren, die Hunderte von Lichtjahren entfernt sind.
Während das Hubble-Weltraumteleskop in den vergangenen zwei Jahrzehnten zahlreiche Atmosphären von Exoplaneten analysiert hat und 2013 den ersten eindeutigen Nachweis von Wasser erbrachte, stellt die unmittelbare und detailliertere Beobachtung durch Webb einen großen Fortschritt bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten jenseits der Erde dar.
WASP-96 b ist einer von mehr als 5.000 bestätigten Exoplaneten in der Milchstraße. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 1.150 Lichtjahren im südlichen Sternbild Phönix und repräsentiert eine Art von Gasriesen, für die es in unserem Sonnensystem keine direkte Entsprechung gibt. Mit einer Masse, die weniger als halb so groß ist wie die des Jupiters, und einem Durchmesser, der 1,2 Mal größer ist, ist WASP-96 b viel aufgeblasener als jeder Planet, der unsere Sonne umkreist. Und mit einer Temperatur von mehr als 1000°F ist er auch wesentlich heißer. WASP-96 b umkreist seinen sonnenähnlichen Stern extrem nahe, nur ein Neuntel des Abstands zwischen Merkur und Sonne, und vollendet alle 3½ Erdtage eine Umrundung.
Die Kombination aus Größe, kurzer Umlaufzeit, bauschiger Atmosphäre und dem Fehlen von störendem Licht von Objekten in der Nähe macht WASP-96 b zu einem idealen Ziel für atmosphärische Beobachtungen.
Am 21. Juni hat Webbs Nahinfrarot-Imager und spaltloser Spektrograf (NIRISS) das Licht des WASP-96-Systems 6,4 Stunden lang gemessen, während sich der Planet um den Stern bewegte. Das Ergebnis ist eine Lichtkurve, die die allgemeine Abschwächung des Sternenlichts während des Transits zeigt, und ein Transmissionsspektrum, das die Helligkeitsveränderung einzelner Wellenlängen des Infrarotlichts zwischen 0,6 und 2,8 Mikrometern offenbart.
Während die Lichtkurve Eigenschaften des Planeten bestätigt, die bereits aus anderen Beobachtungen bekannt waren – die Existenz, die Größe und die Umlaufbahn des Planeten – enthüllt das Transmissionsspektrum bisher verborgene Details der Atmosphäre: die eindeutige Signatur von Wasser, Hinweise auf Dunst und Anzeichen für Wolken, von denen man aufgrund früherer Beobachtungen annahm, dass sie nicht existieren.
Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, während er sich durch den Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht verglichen wird, das erfasst wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Anhand des Absorptionsmusters, d. h. der Lage und Höhe der Spitzen im Diagramm, können die Forscher die Häufigkeit der wichtigsten Gase in der Atmosphäre eines Planeten erkennen und messen. So wie Menschen unverwechselbare Fingerabdrücke und DNA-Sequenzen haben, haben auch Atome und Moleküle charakteristische Muster von Wellenlängen, die sie absorbieren.
Das von NIRISS aufgenommene Spektrum von WASP-96 b ist nicht nur das detaillierteste Nahinfrarot-Transmissionsspektrum einer Exoplanetenatmosphäre, das bisher aufgenommen wurde, sondern es deckt auch einen bemerkenswert breiten Wellenlängenbereich ab, einschließlich des sichtbaren roten Lichts und eines Teils des Spektrums, der bisher von anderen Teleskopen nicht zugänglich war (Wellenlängen über 1,6 Mikrometer). Dieser Teil des Spektrums ist besonders empfindlich für Wasser und andere Schlüsselmoleküle wie Sauerstoff, Methan und Kohlendioxid, die im Spektrum von WASP-96 b nicht sofort erkennbar sind, aber bei anderen Exoplaneten, die von Webb beobachtet werden sollen, nachweisbar sein sollten.
Mit Hilfe des Spektrums können die Forscher die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre messen, die Häufigkeit verschiedener Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff eingrenzen und die Temperatur der Atmosphäre in der Tiefe abschätzen. Anhand dieser Informationen können sie dann Rückschlüsse auf die allgemeine Zusammensetzung des Planeten sowie darauf ziehen, wie, wann und wo er entstanden ist. Die blaue Linie in der Grafik ist ein Best-Fit-Modell, das die Daten, die bekannten Eigenschaften von WASP-96 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die angenommenen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.
Die außergewöhnliche Detailgenauigkeit und Klarheit dieser Messungen wird durch das hochmoderne Design von Webb ermöglicht. Sein 270 Quadratmeter großer, goldbeschichteter Spiegel sammelt das Infrarotlicht effizient ein. Seine Präzisionsspektrographen verteilen das Licht in Regenbögen aus Tausenden von Infrarotfarben. Und seine empfindlichen Infrarotdetektoren messen extrem feine Helligkeitsunterschiede. NIRISS ist in der Lage, Farbunterschiede von nur etwa einem Tausendstel eines Mikrometers (der Unterschied zwischen Grün und Gelb beträgt etwa 50 Tausendstel eines Mikrometers) und Helligkeitsunterschiede zwischen diesen Farben von einigen hundert Teilen pro Million zu erkennen.
Die extreme Stabilität von Webb und seine Position auf der Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt 2, der etwa eine Million Kilometer von den störenden Einflüssen der Erdatmosphäre entfernt ist, sorgen außerdem für einen ununterbrochenen Blick und saubere Daten, die relativ schnell analysiert werden können.
Das außerordentlich detaillierte Spektrum, das durch die gleichzeitige Analyse von 280 während der Beobachtung aufgenommenen Einzelspektren entstanden ist, gibt nur einen Vorgeschmack auf das, was Webb für die Exoplanetenforschung zu bieten hat. Im Laufe des kommenden Jahres werden die Forscher die Spektroskopie nutzen, um die Oberflächen und Atmosphären von mehreren Dutzend Exoplaneten zu analysieren, von kleinen Gesteinsplaneten bis hin zu gas- und eisreichen Giganten. Fast ein Viertel der Beobachtungszeit von Webb im Zyklus 1 ist für die Untersuchung von Exoplaneten und der Materialien, aus denen sie bestehen, vorgesehen.
Diese NIRISS-Beobachtung zeigt, dass Webb in der Lage ist, die Atmosphären von Exoplaneten – einschließlich der Atmosphären von potenziell bewohnbaren Planeten – bis ins kleinste Detail zu charakterisieren.
