Webb entdeckt Kohlendioxid außerhalb unseres Sonnensystems

Kohlendioxid vermuten Forscher seit Langem außerhalb unseres Sonnensystems. 2022 war es dem Weltraumteleskop James Webb bereits gelungen welches in einem anderen Exoplaneten, im WASP-39 b, zu entdeckten. Allerdings nur durch eine indirekte Messmethode. Jetzt ist es dem Team mithilfe der Koronografen von Webb gelungen, erstmals direkte Bilder von Kohlendioxid in einem Exoplaneten aufzunehmen.

Die Entdeckung stammt aus dem Mehrplanetensystem HR 8799, das sich 130 Lichtjahre entfernt befindet und seit Langem ein zentrales Ziel für die Planetenentstehungsforschung ist. Eine Analyse der Daten, die auch das 96 Lichtjahre entfernte System 51 Eridani umfasst, wurde in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Ist unser Sonnensystem ungewöhnlich oder eher der Normalfall?

„Mit dieser Forschung hoffen wir, unser eigenes Sonnensystem, das Leben und letztlich uns selbst besser zu verstehen, indem wir es mit anderen Exoplanetensystemen vergleichen“, sagt William Balmer, Astrophysiker an der Johns Hopkins University und Leiter der Studie. „Wir wollen Bilder anderer Sonnensysteme aufnehmen und sehen, inwiefern sie sich von unserem unterscheiden. So können wir herausfinden, ob unser Sonnensystem ungewöhnlich ist – oder eher der Normalfall.“

Riesenplaneten können auf zwei Arten entstehen: Entweder bauen sie sich langsam durch feste Kerne auf, die Gas anziehen – wie in unserem Sonnensystem –, oder sie entstehen durch einen schnellen Kollaps der kühlen Materiescheibe um einen jungen Stern. Die Klärung dieser Frage hilft Wissenschaftlern, zwischen den verschiedenen Planetenarten in anderen Systemen zu unterscheiden.

Junges Sonnensystem gibt Auskunft über unser System

HR 8799 ist mit einem Alter von etwa 30 Mio. Jahren – ein Bruchteil der 4,6 Mrd. Jahre unseres Sonnensystems – ein junges System. Da die Planeten dieses Systems noch heiß von ihrer gewaltsamen Entstehung sind, emittieren sie große Mengen an Infrarotstrahlung. Diese Daten liefern wertvolle Informationen darüber, wie ihre Entstehung im Vergleich zu Sternen oder Braunen Zwergen verläuft.

So liefern die neuesten Beobachtungen Hinweise darauf, dass die vier riesigen Planeten dieses Systems auf ähnliche Weise wie Jupiter und Saturn entstanden sind – durch den langsamen Aufbau fester Kerne. Zudem bestätigen sie, dass Webb nicht nur die chemische Zusammensetzung von Exoplanetenatmosphären indirekt durch Sternenlichtmessungen ableiten kann, sondern auch eine direkte Analyse der Atmosphäre ermöglicht.

„Durch die Entdeckung dieser deutlichen Kohlendioxid-Signaturen konnten wir zeigen, dass ein erheblicher Anteil schwererer Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen in den Atmosphären dieser Planeten vorhanden ist“, so Balmer weiter. „Angesichts dessen, was wir über den Stern wissen, den sie umkreisen, deutet dies darauf hin, dass sie durch Kernakkretion entstanden sind – ein spannendes Ergebnis für Planeten, die wir direkt beobachten können.“

Planeten oder Braune Zwerge?

Bislang konnten nur wenige Exoplaneten direkt abgebildet werden, da ferne Planeten tausendfach schwächer leuchten als ihre Sterne. Durch die Erfassung direkter Bilder in speziellen Wellenlängen, die nur mit Webb zugänglich sind, ebnet das Forschungsteam den Weg für detailliertere Beobachtungen.

Ziel ist es, festzustellen, ob die entdeckten Objekte tatsächlich Riesenplaneten sind oder möglicherweise Braune Zwerge – also Objekte, die wie Sterne entstehen, aber nicht genügend Masse für die Kernfusion ansammeln.

„Wir haben bereits andere Hinweise darauf, dass die vier Planeten von HR 8799 durch diesen Bottom-up-Prozess entstanden sind“, erklärte Laurent Pueyo, Astronom am Space Telescope Science Institute und Co-Leiter der Studie. „Wie häufig kommt dieser Entstehungsmechanismus bei direkt beobachtbaren Exoplaneten vor? Das wissen wir noch nicht, aber wir planen weitere Webb-Beobachtungen, um diese Frage mithilfe unserer Kohlendioxid-Diagnostik zu beantworten.“

Durchbruch gelang mithilfe der Koronografen von Webb

Die astronomischen Instrumente zur Beobachtung vor allem der inneren Korona der Sonne, die Koronografen, waren ausschlaggebend für die Entdeckung. Denn diese blockieren das Licht heller Sterne – ähnlich einer Sonnenfinsternis – und ermöglichen so die Sicht auf sonst verborgene Himmelskörper. Das Webb-Team konnte dadurch Infrarotlicht in bestimmten Wellenlängen analysieren, die spezifische Gase und atmosphärische Eigenschaften enthüllen.

Durch die Fokussierung auf den Wellenlängenbereich von 3 μm bis 5 μm fanden die Forscher heraus, dass die vier HR-8799-Planeten mehr schwere Elemente enthalten als bisher angenommen – ein weiteres Indiz dafür, dass sie ähnlich wie die Gasriesen unseres Sonnensystems entstanden sind. Außerdem konnte erstmals der innerste Planet HR 8799 e bei einer Wellenlänge von 4,6 μm und 51 Eridani b bei einer von 4,1 μm nachgewiesen werden.

Rémi Soummer, Leiter des Optiklabors am Space Telescope Science Institute und ehemaliger Leiter der Koronografen-Operationen von Webb, betont: „Wir wussten, dass das Webb die Farben der äußeren Planeten in direkt abgebildeten Systemen messen kann. Seit zehn Jahren haben wir darauf gewartet, zu bestätigen, dass wir mit den präzisen Einstellungen des Teleskops auch die inneren Planeten erfassen können. Nun liegen die Ergebnisse vor – und wir können damit spannende Wissenschaft betreiben.“

Verständnis von Planetensystemen

Das Team plant, Webbs Koronografen weiterhin zu nutzen, um weitere Gasriesen zu analysieren und ihre Zusammensetzung mit theoretischen Modellen zu vergleichen. Denn: Diese Riesenplaneten haben erhebliche Auswirkungen. „Wenn sich solch massive Planeten wie Bowlingkugeln durch ein Sonnensystem bewegen, können sie kleinere erdähnliche Planeten entweder stark stören, sie schützen oder beides gleichzeitig tun. Ihr Entstehungsprozess ist daher ein entscheidender Faktor, um die Entwicklung, Stabilität und Bewohnbarkeit von erdähnlichen Planeten besser zu verstehen“, so die Forscher.