11. September 2023: JWST entdeckt Kohlendioxyde in der Atmosphäre von Exoplanet
Eine
neue Untersuchung mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA zu K2-18
b, einem Exoplaneten mit der 8,6-fachen Masse der Erde,
hat das Vorhandensein kohlenstoffhaltiger Moleküle, darunter Methan und Kohlendioxid, ergeben.
Webbs Entdeckung ergänzt aktuelle Studien, die darauf hindeuten, dass K2-18 b ein Hycean-Exoplanet sein könnte,
der das Potenzial hat, eine wasserstoffreiche Atmosphäre und eine
mit Wasser und Ozeanen bedeckte Oberfläche zu besitzen.
Künstlerische Darstellung:
Bild: NASA
Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet K2-18 b basierend auf wissenschaftlichen Daten aussehen könnte.
K2-18 b, ein Exoplanet mit der 8,6-fachen Masse der Erde, umkreist den
kühlen Zwergstern K2-18 in der bewohnbaren Zone und liegt
120 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Eine neue Untersuchung von K2-18 b mit dem James Webb-Weltraumteleskop
der NASA hat das Vorhandensein kohlenstoffhaltiger Moleküle,
darunter Methan und Kohlendioxid, ergeben.
Die Fülle an Methan und Kohlendioxid sowie der Mangel an Ammoniak stützen die Hypothese,
dass sich in K2-18 b möglicherweise ein Wasserozean unter einer wasserstoffreichen Atmosphäre befindet.
Die ersten
Einblicke in die atmosphärischen Eigenschaften dieses Exoplaneten
in der bewohnbaren Zone lieferten Beobachtungen mit dem
Hubble-Weltraumteleskop der NASA, die zu weiteren Studien führten,
die seitdem unser Verständnis des Systems verändert haben.
K2-18 b umkreist den kühlen Zwergstern K2-18 in der habitablen
Zone und liegt 120 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild
Löwe.
Exoplaneten wie K2-18 b, deren Größen zwischen der Erde und
Neptun liegen, sind mit nichts in unserem Sonnensystem zu vergleichen.
Dieser Mangel an gleichwertigen nahen Planeten führt dazu, dass
diese „Sub-Neptune“ kaum verstanden werden und die Natur
ihrer
Atmosphären unter Astronomen Gegenstand aktiver Debatten ist.
Die Vermutung, dass es sich bei Sub-Neptun K2-18 b um einen
Hycea-Exoplaneten handeln könnte, ist faszinierend, da einige
Astronomen glauben,
dass diese Welten vielversprechende Umgebungen für die Suche nach Beweisen für Leben auf Exoplaneten sind.
„Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist,
vielfältige bewohnbare Umgebungen bei der Suche nach Leben
anderswo zu berücksichtigen“,
erklärte Nikku Madhusudhan, Astronomin an der Universität Cambridge und Hauptautorin der Veröffentlichung,
in der diese Ergebnisse bekannt gegeben werden.
„Traditionell konzentrierte sich die Suche nach Leben auf Exoplaneten hauptsächlich auf kleinere Gesteinsplaneten,
aber die größeren Hycean-Welten eignen sich deutlich besser für atmosphärische Beobachtungen.“
Die Fülle an Methan und Kohlendioxid sowie der Mangel an Ammoniak stützen die Hypothese,
dass sich in K2-18 b möglicherweise ein Wasserozean unter einer wasserstoffreichen Atmosphäre befindet.
Diese ersten Webb-Beobachtungen lieferten auch den möglichen Nachweis eines Moleküls namens Dimethylsulfid (DMS).
Auf der Erde wird dies nur durch Leben erzeugt. Der Großteil des
DMS in der Erdatmosphäre wird vom Phytoplankton in
Meeresumgebungen emittiert.
Bild: NASA
Spektren von
K2-18 b, die mit Webbs NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless
Spectrograph) und NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) aufgenommen
wurden,
zeigen eine Fülle von Methan und Kohlendioxid in der
Atmosphäre des Exoplaneten sowie einen möglichen Nachweis von
a Molekül namens Dimethylsulfid (DMS).
Der Nachweis von Methan und Kohlendioxid sowie der Mangel an Ammoniak
stützen die Hypothese, dass sich in K2-18 b möglicherweise
ein Wasserozean unter
einer wasserstoffreichen Atmosphäre befindet. K2-18 b, 8,6-mal so
massiv wie die Erde, umkreist den kühlen Zwergstern K2-18 in der
habitablen Zone und liegt
120 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Die
Schlussfolgerung von DMS ist weniger robust und erfordert eine weitere
Validierung. „Kommende Webb-Beobachtungen sollten bestätigen
können,
ob DMS tatsächlich in nennenswerten Mengen in der Atmosphäre
von K2-18 b vorhanden ist“, erklärte Madhusudhan.
Während K2-18 b in der bewohnbaren Zone liegt und mittlerweile
bekannt ist, dass er kohlenstoffhaltige Moleküle beherbergt,
bedeutet dies nicht unbedingt,
dass der Planet Leben beherbergen kann. Die große
Größe des Planeten mit einem Radius, der 2,6-mal so
groß ist wie der Erdradius bedeutet,
dass das Innere des Planeten wahrscheinlich einen großen Mantel
aus Hochdruckeis enthält, wie Neptun, aber mit einer dünneren
wasserstoffreichen
Atmosphäre und einer Meeresoberfläche. Es wird vorhergesagt,
dass Hycean-Welten Ozeane voller Wasser haben. Es ist jedoch auch
möglich,
dass der Ozean zu heiß ist, um bewohnbar oder flüssig zu sein.
„Obwohl diese Art von Planeten in unserem Sonnensystem nicht
existiert, sind Sub-Neptune die bisher am häufigsten bekannte
Planetenart in der Galaxie“,
erklärte Teammitglied Subhajit Sarkar von der Universität Cardiff.
„Wir haben das bisher detaillierteste Spektrum eines Sub-Neptuns
in der bewohnbaren Zone erhalten und konnten so die Moleküle
ermitteln, die in seiner Atmosphäre existieren.“
Die Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten wie K2-18 b,
also die Identifizierung ihrer Gase und physikalischen Bedingungen, ist
ein sehr aktives Gebiet der Astronomie.
Allerdings werden diese Planeten im wahrsten Sinne des Wortes vom
grellen Licht ihrer viel größeren Muttersterne
überstrahlt,
was die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten zu einer besonderen Herausforderung macht.
Das Team umging diese Herausforderung, indem es das Licht des
Muttersterns von K2-18 b analysierte, als dieser die Atmosphäre
des Exoplaneten passierte.
K2-18 b ist ein transitierender Exoplanet, was bedeutet, dass wir einen
Helligkeitsabfall feststellen können, wenn er die Oberfläche
seines Muttersterns passiert.
So wurde der Exoplanet erstmals 2015 mit der K2-Mission der NASA entdeckt.
Das bedeutet, dass bei Transiten ein winziger Bruchteil des
Sternenlichts die Atmosphäre des Exoplaneten durchdringt, bevor es
Teleskope wie Webb erreicht.
Der Durchgang des Sternenlichts durch die Atmosphäre des
Exoplaneten hinterlässt Spuren, die Astronomen zusammenfügen
können,
um die Gase der Atmosphäre des Exoplaneten zu bestimmen.
„Dieses Ergebnis war nur möglich aufgrund des erweiterten
Wellenlängenbereichs und der beispiellosen Empfindlichkeit von
Webb,
die eine robuste Erkennung spektraler Merkmale mit nur zwei Transits ermöglichte“, sagte Madhusudhan.
„Zum Vergleich: Eine Transitbeobachtung mit Webb lieferte eine
vergleichbare Präzision wie acht Beobachtungen mit Hubble,
die über mehrere Jahre hinweg und in einem relativ engen Wellenlängenbereich durchgeführt wurden.“
„Diese Ergebnisse sind das Produkt von nur zwei Beobachtungen von K2-18 b, viele weitere sind in Vorbereitung“,
erklärte Teammitglied Savvas Constantinou von der Universität Cambridge.
„Das bedeutet, dass unsere Arbeit hier nur eine frühe
Demonstration dessen ist, was Webb kann.“ in Exoplaneten in der
bewohnbaren Zone beobachten.“