Erstmals CO2 auf extrasolarem Planeten nachgewiesen!

(Illustration: künstlerische Darstellung)

Die Entdeckung von CO2 in der Gashülle extrasolarer Planeten liefert wertvolle Informationen über ihre Bildung und Beschaffenheit. Dies ist ein erster Schritt in Richtung genauerer Analysen der Zusammensetzung von Exoplaneten, was Aufschluss darüber gibt, wie seine Gashülle und Oberfläche beschaffen ist, welche Prozesse auf dem Planeten ablaufen, wie er sich entwickelt hat und nicht zuletzt, ob auf ihm Leben existiert.

Die Hitze des Exoplaneten WASP-39b führt dazu, dass sich die Atmosphäre des Planeten ausdehnt. Dabei zieht der Gasriese bei jedem Umlauf genau vor seinem Mutterstern vorbei. Dies ist nun mithilfe des speziell für solche spektralen Analysen ausgelegten Nahinfrarot-Spektrographs (NIRSpec) des James-Webb-Weltraumteleskops nachgewiesen worden. Genau dies ist nun dem Teleskop gelungen: Astronomen unter Leitung von Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz haben mit ihm den rund 700 Lichtjahre entfernten Exoplanet WASP-39b anvisiert, der etwa die Masse des Saturn hat, aber auf die 1,3-fache Größe des Jupiter aufgebläht ist. Grund dafür ist die geringe Entfernung zu seinem sonnenähnlichen Mutterstern, den er in nur vier Tagen umkreist – dadurch wird er auf rund 900 Grad aufgeheizt und ist ein sogenannter „Hot Jupiter“. Die Hitze bewirkt, dass sich die Atmosphäre des Planetens entsprechend verformt.

Die Kombination aus aufgeblähter Atmosphäre und häufigen Transits macht es bei Hot Jupiters besonders leicht, die spektralen Signale zu identifizieren, die bei der Passage des Sternenlichts durch deren Gashülle entstehen. Der erste Hinweis auf eine CO2-Atmosphäre bei einem extrasolaren Planet kam vom Goddard Space Flight Center in Greenbelt (USA). Wissenschaftler bestimmten, dass der im Orbit um den rötlich-weißlichen Zwergstern HD 189733 kreisende Gasplanet hohe Mengen an Kohlenstoffdioxid in seiner Atmosphäre hat. Dies ist für diese Art von Sternkraftwerk bisher einzigartig und liefert wertvolle Hinweise auf Denkbare Ablaufmechanismen für die Entwicklung solcher Planetensysteme. Einen weiteren Hinweis findet sich in der Onlineveröffentlichung in The Astrophysical Journal Letters: Die Forscher untersuchten Spektren verschiedener transparenter Gase – insbesondere Helium, Neon und Sauerstoff – sowohl im Labor als auch am telescope on board the International Space Station (ISS). Aufgrund der großen Übereinstimmung mit den theoretischen Erwartungswerten stellte sich dieser Test als erfolgreich heraus. Damit konnte das Team abschließend messbare Absorptionslinien von Kohlenstoffdioxid innerhalb des Spektrums von HD 189733 identifizieren und quantifizieren. „Ein tolles Gefühl!“ sagt Koautor Rustamkulov von der Johns Hopkins University in Baltimore über den Moment des Durchbruchs: „Wir haben damit eine wichtige Schwelle in der Exoplanetenforschung definitiv überschritten.“

Laut Laura Kreidberg, Koautorin vom Max-Planck-Institut für Astronomie, ist dieser Nachweis von CO2 ein wesentlicher Meilenstein bei der Charakterisierung der Atmosphäre von Exoplaneten. Kohlendioxid hat in Atmosphären eine wichtige Rolle als Treibhausgas und beeinflusst das Klima maßgeblich. Es kann daher Hinweise darauf geben, wie lebensfreundlich ein Planet ist. Zudem gibt der CO2-Gehalt Aufschluss über das Vorkommen von Sauerstoff und damit indirekt über die chemischen Prozesse, die in der Gashülle und auf der Planetenoberfläche ablaufen können. Außerdem liefert die Zusammensetzung der Atmosphäre Informationen über die Entstehung und Entwicklung des Planeten. Mike Line, Koautor von der Arizona State University erklärt: „Kohlendioxid-Moleküle sind sensible Anzeiger für den Ablauf der Planetenbildung . Indem wir das CO2 messen, können wir ermitteln, wie viel festes und gasförmiges Material an der Bildung eines solchen Gasplaneten beteiligt war. „Die weiteren Messungen des Webb-Teleskops bei verschiedenartigen Planeten sind sehr wichtig für unser Verständnis von Planetenausbildung und unserem einzigartigen Sonnensystem.“ „Die Entdeckung eines so deutlichen Signals von Kohlendioxid auf WASP-39b ist ein gutes Vorzeichen: Dank dieses Fundes können wir bald Atmosphären auf erdgroßen Exoplaneten entdecken – und die Häufigkeit weiterer Gase messen, wie Wasser und Methan.“, so Batalha. „Aber diese Beobachtung ist viel mehr als nur der Nachweis von Kohlendioxid: Sie bestätigt die hohe Erwartungshaltung an das neue Teleskop.“

Bislang konnte noch kein anderes Observatorium in diesem wichtigen Spektralbereich von 3 bis 5,5 Mikrometern so feine Helligkeitsunterschiede messen! In diesem Teil des Spektrums liegen die Spektrallinien wichtiger Gase wie Wasser, Methan oder Kohlendioxid. Damit könnnen Astronomen ihre Theorien überprüfen.

(Nature, accepted; doi: 10.48550/arXiv.2208.11692)