Das Webb-Teleskop untersucht die Chemie in der Atmosphäre eines heißen Gasriesen – Ars Technica

Bis vor einigen Jahrzehnten existierten die einzigen Planeten, die wir kannten, in unserem Sonnensystem, und das prägte die Art und Weise, wie wir über Planetenentstehung und Planetenchemie dachten. Jetzt, da so viele Exoplaneten identifiziert wurden, haben wir viele Beispiele für Dinge, die wir noch nie zuvor gesehen haben: winzige Neptune, Supererden, heiße Jupiter.

Herauszufinden, was all diese neuen Dinge uns sagen, ist ein bisschen gemischt. Es ist relativ einfach, die Dichte eines Planeten zu bestimmen und wie viel Energie er von seinem Wirtsstern erhält. Aber eine bestimmte Dichte entspricht normalerweise einer Reihe von Materialien – festes Gestein kann beispielsweise analog zu einem großen Mineralkern und einer aufgeblähten Atmosphäre wirken. Und die Temperatur des Planeten wird stark von Dingen wie der Zusammensetzung seiner Atmosphäre und davon abhängen, wie viel Licht seine Oberfläche reflektiert.

Es ist also schwierig zu wissen, was wir sehen, wenn wir Daten auf einem Exoplaneten sehen. Aber mit dem erfolgreichen Betrieb des Webb-Weltraumteleskops kommen wir ein wenig weiter. In der Mittwochsausgabe der Zeitschrift Nature verwenden Wissenschaftler Daten des neuen Teleskops, um auf die Chemie des heißen Gasriesen zu schließen und stellen fest, dass Dinge passieren, die wir in unserem eigenen Sonnensystem nicht sehen werden.

Groß und heiß

Das Ziel der Untersuchung Exoplanet WASP-39b, die etwa 700 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Es ist ein Gasriese, aber seine Masse ist um zwei Drittel viel kleiner als die des Jupiter. Trotzdem ist er mit einem 1,7-fachen Radius viel größer als Jupiter. Der größte Beitrag dazu ist die Tatsache, dass der Planet heiß ist. Sein Umlaufradius beträgt weniger als 5 Prozent des Erdradius, und es dauert etwas mehr als vier Erdtage, um eine Umlaufbahn zu absolvieren. Der Stern, den er umkreist, ist auch kein schwacher Zwerg; Sie ist ungefähr so ​​groß wie die Sonne und heizt den Planeten auf fast 900 Grad Celsius auf.

Daher ist WASP-39b anders als alle Planeten in unserem Sonnensystem. Das macht es zu einer großartigen Wahl, um Dinge zu entdecken, die wir in der Nähe von zu Hause nicht sehen würden. Es ist auch ein attraktives Ziel für Beobachtungen, weil seine Atmosphäre so groß ist. Dies bedeutet, dass, wenn der Planet zwischen seinem Wirtsstern und der Erde hindurchfliegt, mehr Licht vom Stern durch die Atmosphäre von WASP-39b strömt. In diesem Fall absorbieren Chemikalien in der Atmosphäre bestimmte Wellenlängen und erzeugen eine Signatur, die wir lesen können, um mehr über die Entstehung des Planeten zu erfahren.

Aus diesen Gründen war WASP-39b einer der ersten Planeten, der für die Beobachtung durch das Webb-Teleskop anvisiert wurde. Die erhaltenen Daten zeigen, dass die Atmosphäre des Planeten Kohlendioxid und Schwefeldioxid enthält.

Beide Chemikalien kommen in der Erdatmosphäre vor, daher ist ihre Anwesenheit in diesem Sinne kein großer Schock. Aber die Erdatmosphäre ist eine oxidierende Umgebung, also sind oxidierende Chemikalien der Schlüssel. Im Gegensatz dazu sind die Gasriesen reich an Wasserstoff, was für eine reduzierende Atmosphäre sorgt. Wir sollten Wasser, Methan und Schwefelwasserstoff sehen, nicht Kohlendioxid und Schwefeldioxid.

Planetenchemie

Um herauszufinden, was vor sich ging, passte ein großes Forschungsteam eine Software an, die chemische Reaktionen modelliert, um mit Bedingungen und Vorläufern zu arbeiten, die wahrscheinlich in der Atmosphäre von WASP-39b vorhanden sind. Die Bedingungen wurden mithilfe eines allgemeinen Zirkulationsmodells der Atmosphäre des Planeten geschaffen, das sich auf die Morgen- und Abendextreme konzentrierte – die Orte, an denen sich die Tag- und Nachtseiten des Planeten treffen.

Diese Modelle zeigten, dass es Wege gibt, auf denen sich Schwefeldioxid bilden kann. Aber sie beginnen mit dem Zerfall von Wasser durch ultraviolettes Licht des nahen Sterns. UV-Strahlen spalten Wasser in zwei reaktive Chemikalien, die Radikale genannt werden (speziell H- und OH-Radikale). Zunächst entfernen Wasserstoffradikale Wasserstoff und lassen Schwefel zurück. Das reagiert dann mit dem OH-Radikal und oxidiert es.

Modelle sagen voraus, dass Schwefeldioxid morgens häufiger vorhanden sein wird, da es kühler ist als auf der Abendseite des Planeten. Sie schlagen auch vor, dass wir Vorläufer wie Schwefel und Schwefeldioxid sehen sollten, aber diese würden keine Spuren im Sternenlicht hinterlassen, das durch die Atmosphäre strömt.

Eines der interessantesten Dinge daran ist, dass es mehrere Gründe gibt, warum dies in unserem Sonnensystem nicht gut funktioniert. Erstens sind alle Gasriesen im Sonnensystem sehr weit entfernt und erhalten nicht so viel ultraviolette Strahlung. Das größere Problem ist jedoch, dass der Prozess sehr empfindlich auf das Verhältnis von schweren Elementen zu Wasserstoff in der Atmosphäre eines Planeten reagiert (von Astronomen als Metallizität des Planeten bezeichnet). Selbst wenn es fünfmal metallischer ist als unsere Sonne, bilden Sie einfach nicht genug Schwefeldioxid, um eine Signatur zu erzeugen, die wir von der Erde aus erkennen können. Sie benötigen ungefähr 10-mal mehr Solarmetall, um eine gute Anpassung an die Daten von Webb zu erzielen.

Im Gegensatz dazu scheint die SO2-Produktion nicht sehr temperaturempfindlich zu sein. Dass WASP-39b extrem heiß ist, scheint also keine Rolle bei seiner Produktion zu spielen. Aber in den Gasriesen des Sonnensystems sind die Temperaturen so niedrig, dass selbst wenn sich Schwefeldioxid bilden würde, es schnell zu Aerosolpartikeln kondensieren oder in Gegenwart von Ammoniak chemische Reaktionen eingehen würde. Jedes dieser beiden Dinge würde die Art von spektraler Signatur seiner Präsenz verhindern, die wir in dem Licht sehen, das durch die Atmosphäre von WASP-39b gegangen ist.

außerhalb des Sonnensystems

Aus all diesen Gründen scheint die Atmosphäre von WASP-39b eine chemische Umgebung zu beherbergen, die wir in unserem eigenen Sonnensystem nicht erwarten sollten. Wenn wir beginnen, uns die Atmosphären weiterer Planeten vorzustellen, wird es wichtig sein, dies im Hinterkopf zu behalten. Die meisten Atmosphären, die wir betrachten, haben wahrscheinlich eine Mischung aus Chemikalien, Drücken, Temperaturen und Strahlenbelastungen, die sich voneinander unterscheiden, und können daher Chemie beherbergen, von der wir nichts wissen.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05902-2 (über DOIs).