Webb fotografiert junge riesige Exoplaneten

Das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA hat direk­te Bil­der meh­re­rer Gas­rie­sen inner­halb eines bekann­ten Pla­ne­ten­sys­tems auf­ge­nom­men. HR 8799, ein jun­ges Sys­tem in 130 Licht­jah­ren Ent­fer­nung im Stern­bild Pega­sus, ist seit lan­gem ein wich­ti­ges Ziel für Stu­di­en zur Pla­ne­ten­ent­ste­hung. Die Beob­ach­tun­gen zei­gen, dass die gut unter­such­ten Pla­ne­ten von HR 8799 reich an Koh­len­di­oxid­gas sind. Dies ist ein star­ker Beweis dafür, dass die vier Rie­sen­pla­ne­ten des Sys­tems ähn­lich wie Jupi­ter und Saturn ent­stan­den sind, indem sie lang­sam fes­te Ker­ne bil­de­ten, die Gas aus einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be anzogen.

Die Ergeb­nis­se bestä­ti­gen zudem, dass Webb mit Hil­fe von Bil­dern Rück­schlüs­se auf die che­mi­sche Zusam­men­set­zung von Exo­pla­ne­ten­at­mo­sphä­ren zie­hen kann. Die­se Tech­nik ergänzt Webbs leis­tungs­star­ke spek­tro­sko­pi­sche Instru­men­te, die die Zusam­men­set­zung der Atmo­sphä­re bestimmen.

„Durch die Ent­de­ckung die­ser aus­ge­präg­ten Koh­len­di­oxid-Merk­ma­le haben wir gezeigt, dass die Atmo­sphä­ren die­ser Pla­ne­ten einen beträcht­li­chen Anteil schwe­re­rer Ele­men­te wie Koh­len­stoff, Sau­er­stoff und Eisen ent­hal­ten“, sag­te Wil­liam Bal­mer von der Johns Hop­kins Uni­ver­si­ty in Bal­ti­more. „Ange­sichts des­sen, was wir über den Stern wis­sen, den sie umkrei­sen, deu­tet dies wahr­schein­lich dar­auf hin, dass sie durch Kern­ak­kre­ti­on ent­stan­den sind. Das ist eine span­nen­de Schluss­fol­ge­rung für Pla­ne­ten, die wir direkt sehen können.“

Bal­mer ist der Haupt­au­tor der Stu­die, deren Ergeb­nis­se heu­te im Astro­phy­si­cal Jour­nal ver­öf­fent­licht wur­den. Die Ana­ly­se von Bal­mer und sei­nem Team umfasst auch Webbs Beob­ach­tung eines 97 Licht­jah­re ent­fern­ten Sys­tems namens 51 Eridani. HR 8799 ist ein jun­ges Sys­tem, etwa 30 Mil­lio­nen Jah­re alt, ein Bruch­teil der 4,6 Mil­li­ar­den Jah­re unse­res Son­nen­sys­tems. Die Pla­ne­ten in HR 8799 sind noch heiß von ihrer tur­bu­len­ten Ent­ste­hung und strah­len gro­ße Men­gen an Infra­rot­licht ab, das den Wis­sen­schaft­lern wert­vol­le Daten über ihre Ent­ste­hung liefert.

Rie­sen­pla­ne­ten kön­nen auf zwei Arten ent­ste­hen: durch den lang­sa­men Auf­bau fes­ter Ker­ne mit schwe­re­ren Ele­men­ten, die Gas anzie­hen, wie bei den Rie­sen­pla­ne­ten in unse­rem Son­nen­sys­tem, oder wenn Gas­par­ti­kel schnell zu mas­si­ven Objek­ten aus der abküh­len­den Schei­be eines jun­gen Sterns ver­schmel­zen, die größ­ten­teils aus der glei­chen Art von Mate­ri­al wie der Stern besteht. Zu wis­sen, wel­ches Ent­ste­hungs­mo­dell häu­fi­ger vor­kommt, kann den Wis­sen­schaft­lern Anhalts­punk­te geben, um zwi­schen den Pla­ne­ten­ty­pen zu unter­schei­den, die sie in ande­ren Sys­te­men finden.

„Unse­re Hoff­nung bei die­ser Art von For­schung ist es, unser eige­nes Son­nen­sys­tem, das Leben und uns selbst im Ver­gleich zu ande­ren exo­pla­ne­ta­ren Sys­te­men zu ver­ste­hen, damit wir unse­re Exis­tenz in einen Kon­text stel­len kön­nen“, sag­te Bal­mer. „Wir wol­len Bil­der von ande­ren Son­nen­sys­te­men machen und sehen, wie sie sich von unse­rem unter­schei­den. So kön­nen wir ein Gefühl dafür bekom­men, wie unge­wöhn­lich – oder wie nor­mal – unser Son­nen­sys­tem wirk­lich ist.“

Von den fast 6.000 ent­deck­ten Exo­pla­ne­ten konn­ten nur weni­ge direkt abge­bil­det wer­den, da selbst Rie­sen­pla­ne­ten vie­le tau­send Mal licht­schwä­cher sind als ihre Ster­ne. Die Bil­der von HR 8799 und 51 Eridani wur­den durch Webbs NIR­Cam-Koro­na­gra­phen (Nahin­fra­rot­ka­me­ra) ermög­licht, der das Licht hel­ler Ster­ne blo­ckiert und so ansons­ten ver­bor­ge­ne Wel­ten sicht­bar wer­den lässt. Die­se Tech­no­lo­gie ermög­lich­te es dem Team, nach Infra­rot­licht zu suchen, das von den Pla­ne­ten in Wel­len­län­gen emit­tiert wird, die von bestimm­ten Gasen absor­biert wer­den. Das Team fand her­aus, dass die vier Pla­ne­ten von HR 8799 mehr schwe­re Ele­men­te ent­hal­ten als bis­her ange­nom­men.

„Die ein­zig­ar­ti­gen Fähig­kei­ten von Webb ermög­li­chen es uns zum ers­ten Mal, die gro­ße Viel­falt die­ser direkt abge­bil­de­ten Pla­ne­ten zu erfor­schen. Dies gibt uns wich­ti­ge Hin­wei­se dar­auf, wie sich sol­che Pla­ne­ten­sys­te­me gebil­det haben“, sag­te Emi­ly Rick­man von der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on, eine Mit­au­torin der Stu­die. „Die­se neu­en Beob­ach­tun­gen zei­gen erneut, wie wert­voll das Mehr­pla­ne­ten­sys­tem HR 8799 als Sprung­brett für das Ver­ständ­nis der Ent­ste­hung von Exo­pla­ne­ten­sys­te­men und unse­res eige­nen Son­nen­sys­tems ist.“

Das Team ebnet den Weg für detail­lier­te­re Beob­ach­tun­gen, um fest­zu­stel­len, ob es sich bei den Objek­ten, die sie im Orbit um ande­re Ster­ne beob­ach­ten, tat­säch­lich um Rie­sen­pla­ne­ten oder um Objek­te wie Brau­ne Zwer­ge han­delt, die sich wie Ster­ne bil­den, aber nicht genü­gend Mas­se ansam­meln, um die Kern­fu­si­on zu zünden.

„Wir haben ande­re Hin­wei­se dar­auf, dass die­se vier Pla­ne­ten von HR 8799 mit die­sem Bot­tom-up-Ansatz ent­stan­den sind“, sagt Lau­rent Pueyo, Astro­nom am Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te in Bal­ti­more, der die Arbeit mit gelei­tet hat. „Wie häu­fig ist dies bei Pla­ne­ten, die wir direkt abbil­den kön­nen? Das wis­sen wir noch nicht, aber wir schla­gen wei­te­re Webb-Beob­ach­tun­gen vor, um die­se Fra­ge zu beant­wor­ten“.

„Wir wuss­ten, dass Webb die Far­ben der äuße­ren Pla­ne­ten in direkt abge­bil­de­ten Sys­te­men mes­sen kann“, füg­te Rémi Soum­mer, Direk­tor des Rus­sell B. Maki­don Optics Lab des STScI und ehe­ma­li­ger Lei­ter des Webb-Koro­na­gra­phen­be­triebs, hin­zu. „Wir haben 10 Jah­re lang auf die Bestä­ti­gung gewar­tet, dass unser fein abge­stimm­ter Betrieb des Tele­skops uns auch den Zugang zu den inne­ren Pla­ne­ten ermög­li­chen wür­de. Jetzt lie­gen die Ergeb­nis­se vor und wir kön­nen damit inter­es­san­te Wis­sen­schaft betreiben.“

Die NIR­Cam-Beob­ach­tun­gen von HR 8799 und 51 Eridani wur­den im Rah­men der Pro­gram­me 1194 bzw. 1412 durchgeführt.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens stell­te die ESA den Start­dienst für das Tele­skop mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 bereit. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, STScI, W. Bal­mer (JHU), L. Pueyo (STScI), M. Per­rin (STScI)

Links

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Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2504