Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) konnte erstmals Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems (Exoplanet) nachgewiesen werden. Nach den Angaben der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) handelt es sich um den Exoplanet WASP-39b und einen "neuen Meilenstein" für das Weltraumteleskop, der "ein neues Fenster in die Vergangenheit von Exoplaneten" eröffne.
Der Planet WASP-39b ist ein heißer Gasriese außerhalb unseres Sonnensystems. Der Planet, der fast 1.150 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, umkreist seinen sonnenähnlichen Stern alle 3,4 Tage und ist für das James-Webb-Weltraumteleskop gut sichtbar. Astronomen haben den Exoplaneten aus der Kategorie der "Heißen Jupiter" für die Erprobung des JWST ausgesucht, da sich seine aufgeblähte Atmosphäre für das Verfahren der Transit-Spektroskopie besonders eignet. Versteht man, wie die Atmosphäre eines Planeten zusammengesetzt sei, können Rückschlüsse auf den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung gezogen werden.
Paukenschlag in der Geschichte der Exoplaneten-Forschung
Und tatsächlich konnte das JWST mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten sein Potenzial voll entfalten: Mit Hilfe des Sternenfinder und Imager NIRISS, der Nah-Infrarot-Kamera (NIRCam) und des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) hat das internationale Forscherteam den Fingerabdruck von Schwefeldioxid in dem Licht, das die Atmosphäre von WASP-39b durchquerte, nachgewiesen. "Ein Paukenschlag in der Geschichte der Exoplaneten-Forschung", wie das Grazer Institut für Weltraumforschung per Aussendung festhielt.
Die Geräte auf dem JWST decken unterschiedliche Teile des infraroten Spektrums und Wellenlängen zwischen 0,5 bis 5 Mikrometer ab. "Das ist ein Novum und ein großer Schritt vorwärts in der Geschichte der Exoplaneten-Forschung. Denn so eine große Abdeckung in hoher Auflösung erlaubt es uns, die Chemie von Exoplaneten-Atmosphären in ihrer Gesamtheit zu erfassen", erläuterte Ludmila Carone vom Grazer Institut für Weltraumforschung (IWF) der ÖAW anlässlich der jüngsten Publikationen.
Carone und ihre IWF-Kollegen Katy Chubb und Patricio Cubillos trugen zur Interpretation der Messdaten bei. Zum einen zeigten die Auswertungen eine Fülle bereits bekannter Atome und Moleküle wie Natrium (Na), Kalium (K), Wasser (H2O), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Die Umgebung des heißen Gasriesen zeigte sich reich an Wasserstoff (H) und Helium (He). Moleküle wie H2O, CO und CO2 waren durchaus zu erwarten.
Überraschender "Hügel" im Spektrum
Das Spektrum zeigte jedoch auch einen "Hügel", der überraschend war. "Man sah auf einmal ein Molekül mehr als erwartet", erläuterte IWF-Direktorin Christiane Helling. Die internationalen Expertinnen und Experten für Spektroskopie - darunter auch Katy Chub - identifizierten das Molekül: Es handelte sich um Schwefeldioxid (SO2).
Schwefeldioxid in einem Wasserstoff-Helium-reichen Gasriesen wie WASP-39b sorgt für große Überraschung, denn die "normale" Chemie ließ kein Vorhandensein von SO2 vermuten. Die Wissenschafter haben jedoch bereits eine mögliche Erklärung dafür gefunden: Durch die Kombination von fotochemischem Wissen mit detaillierten Atmosphäre-Modellen, die u.a. von Cubillos und Carone beigesteuert wurden. Demnach können Photonen mit ausreichender Energie - in diesem Fall die UV-Strahlung des Zentralgestirns von WSP-3b - es schaffen Atmosphären-Moleküle wie Schwefelwasserstoff (H2S) und Wasser (H2O) zu spalten. Die Spaltprodukte wiederum können dann neue Kombinationen - wie zum Beispiel SO2 - bilden.
Die Wissenschafter können jetzt auch den Gehalt vom Schwefelwasserstoff (H2S) in der Atmosphäre berechnen. Schwefelwasserstoff verhält sich in einer Wasserstoff-dominierten Atmosphäre außerordentlich stabil gegenüber Kondensation im Inneren der Planetenatmosphäre. Der enthaltene Schwefelanteil dürfte demnach seit der Entstehung der Planeten relativ unverändert geblieben sein "Wir haben es hier mit Zeitzeugen aus der fernen Vergangenheit zu tun, welche es jetzt weiter zu untersuchen gilt", das IWF werde auf jeden Fall auch bei dieser Reise in die Vergangenheit entscheidend mitwirken, betont die IWF-Direktorin.
Service: https://arxiv.org/abs/2211.10488, https://arxiv.org/abs/2211.10487, https://arxiv.org/abs/2211.10493, https://arxiv.org/abs/2208.11692
(APA/red, Foto: APA/NASA, ESA, CSA, J.Olmsted(STScI))
