Woher kommen wir? Das James-Webb-Teleskop enthüllt Hinweise auf fremde Welten und den Ursprung des Lebens
Das James-Webb-Weltraumteleskop revolutioniert unser Verständnis von Exoplaneten, der Atmosphärenchemie und den Klimasystemen im gesamten Sonnensystem – es bietet beispiellose Einblicke in das Potenzial außerirdischen Lebens und die Ursprünge unseres Universums.
Woher kommen wir?
Das am Weihnachtstag 2021 gestartete James Webb Space Telescope (JWST) verändert bereits jetzt unser Verständnis der Planeten in unserem Sonnensystem und weit darüber hinaus. Als vielseitiges Satellitenobservatorium verfügt JWST von seiner Orbitalposition, 1,5 km von der Erde entfernt im Weltraum, über eine klare Sicht. Dies verschafft ihm einen großen Vorteil gegenüber bodengestützten Teleskopen, die durch die dunstige Erdatmosphäre in den Weltraum blicken müssen.
JWST sammelt fünfmal so viel Licht wie das Hubble-Weltraumteleskop (HST) und ermöglicht es ihm, mithilfe seiner spektroskopischen Fähigkeiten schwache Signale von fernen Welten zu erkennen.
„Vor dem James-Webb-Weltraumteleskop konnte nur eine sehr kleine Anzahl von Molekülen beobachtet werden, etwa Wasser, Kohlenmonoxid und Natrium“, sagte Jérémy Leconte, Astrophysiker an der Universität Bordeaux in Frankreich.
Previous missions and observations from Earth have discovered thousands of exoplanets (those outside our Solar System) and astronomers are already taking advantage of JWST's unique capabilities to study the building blocks of life in the Universe.Alien skies
Anfang des Jahres ermöglichte das James-Webb-Teleskop Astrophysikern die Beobachtung eines Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern in 700 Lichtjahren Entfernung. Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des heißen jupiterähnlichen Planeten WASP-39b dringt, gibt Astronomen einen Einblick in die Chemie fremder Himmel.
Von der Erde aus haben Teleskope Schwierigkeiten, Kohlendioxid auf Exoplaneten zu beobachten, da sie durch das CO2 in der Atmosphäre der Planeten hindurchblicken müssen. Das JWST-Observatorium ermöglicht den Nachweis einer größeren Bandbreite an Molekülen, einschließlich Kohlendioxid, am Himmel von WASP-39b. Das Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre könnte ein Hinweis darauf sein, dass es auf dem Planeten organisches Leben gibt.
„Das ist wirklich ein Game-Changer“, sagte Leconte. „Wir müssen uns wirklich die Planeten um Sterne ansehen, die uns nahe sind.“ „Das ist unsere beste Chance, ihre Atmosphären zu charakterisieren.“
Insbesondere interessieren ihn sieben Gesteinsplaneten, die den 40 Lichtjahre entfernten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen, und insbesondere deren Atmosphären. Die Planeten befinden sich in der bewohnbaren Zone, was bedeutet, dass dort die richtigen Temperaturen herrschen, damit das Wasser flüssig bleibt.
Wenn Wissenschaftler Vorhersagen über die Atmosphäre eines Exoplaneten machen, gehen sie normalerweise davon aus, dass diese homogen ist – überall herrschen die gleichen Bedingungen. Es ist unwahrscheinlich, dass dies wahr ist.
Leconte hat einen 3D-Simulator entwickelt (im Rahmen des von Horizon finanzierten WHIPLASH-Projekts), um Tests auf simulierten Planeten mit bekannten Eigenschaften, wie etwa dem Vorhandensein von flüssigem Wasser, durchzuführen. Die Verwendung simulierter Planeten zur Durchführung dieser Tests ist, als hätte man die Antworten am Ende eines Mathematikbuchs: Tests können durchgeführt werden und die Antworten, die die Modelle liefern, können mit den bekannten Eigenschaften verglichen werden.
In den kommenden Jahren werden wahrscheinlich viele tausend weitere Exoplaneten entdeckt – darunter auch solche, die mit dem neuen Weltraumteleskop gefunden wurden. Wissenschaftler möchten wissen, ob ihre Modelle genaue Erkenntnisse liefern können. Einige der Antworten auf Fragen zu weit entfernten Exoplaneten könnten ganz in der Nähe unseres Sonnensystems auf den vier größten Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun liegen.
Die Juno-Orbiter-Mission lieferte spektakuläre Ausblicke auf Jupiter, während die Raumsonde Cassini Details über den Planeten Saturn enthüllte. Zuvor machte die an Neptun und Uranus vorbeifliegende Raumsonde Voyager 2 Bilder ihrer Atmosphären.
„Wir haben herrliche Bilder von diesen Planeten aufgenommen, mit all diesen wirbelnden Sturmsystemen und bonbonfarbenen Streifen, die großräumige Wetterzirkulationsmuster darstellen“, sagte der Planetenforscher Leigh Fletcher von der Universität Leicester. „Aber es ist nur eine Momentaufnahme ihrer Atmosphären und ihres Klimas zu einem bestimmten Zeitpunkt.“
Vier Riesen
Um Klima- und Wettermuster zu verstehen, leitet Fletcher ein Projekt namens GIANTCLIMES, das verstreute Teile des Puzzles ihrer sich ständig verändernden Atmosphären zusammenfügt. Sie nutzten frühere Beobachtungen von Teleskopen auf der Erde, um die natürlichen Kreisläufe auf den vier Riesenplaneten über viele Jahrzehnte hinweg zu verstehen. Diese Arbeit hat den Boden für die mit Spannung erwarteten neuen Karten dieser Welten vom JWST bereitet.
Uranus und Neptun sind die am weitesten entfernten Planeten im Sonnensystem und diese sogenannten „Eisriesen“ haben immer noch einen Hauch von Geheimnis. Sie bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, Helium und anderen Gasen wie Methan.
„Es gibt so viel Potenzial für brandneue Entdeckungen (mit diesen beiden Planeten)“, sagte Fletcher. „Wir haben die Funktionsweise der Atmosphären dieser Eisriesen im Vergleich zu den besser untersuchten Gasriesen (Jupiter und Saturn) nicht gut im Griff.“
Methanschnee
Unterdessen ist bekannt, dass es auf Saturn massive Sturmsysteme gibt und auf Neptun möglicherweise Methan-Schneestürme. Die Schlüsselvariable im Wettergeschehen ist immer die Temperatur, mit eiskalten Temperaturen auf dem fernen Neptun und Uranus.
Mit der Veröffentlichung der ersten Karten der atmosphärischen Temperaturen hoch in der Stratosphäre von Uranus wurden bereits Fortschritte erzielt. Dabei wurden überraschende saisonale Zirkulationssysteme und helle Flecken über den Polen sichtbar.
Es wird auch vorhergesagt, dass Riesenplaneten, die oft entlang ihrer Achse geneigt sind, extrem lange Jahreszeiten haben. „Wir sehen, wie auf dem Planeten Erde, Jahreszeiten, die die atmosphärischen Temperaturen, Wolken und Niederschläge modulieren“, sagte Fletcher, „aber wir sehen auch regelmäßige natürliche Zyklen in der Atmosphäre, die nicht saisonal sind.“ „Wir fangen gerade erst an, das Wetter auf Riesenplaneten zu verstehen.“
Auch die Atmosphäre von Neptun zeigte erhebliche Sturm- und Wetteraktivität, doch das Team war überrascht von der Feststellung, dass sich der Planet im Sommer eher abgekühlt als erwärmt zu haben schien.
GIANTCLIMES ist ein Support-Act für die Ankunft des JWST. Das neue Teleskop hat Jupiter bereits beobachtet und wird sich in naher Zukunft auf Uranus und Saturn und dann Anfang 2023 auf Neptun konzentrieren, um Vergleiche zwischen Planeten zu ermöglichen.
„Wie das Klima auf den vier Welten funktioniert, ist eigentlich der Kern dessen, was wir zu verstehen versuchen“, sagte Fletcher. Es wird erwartet, dass es mehr Einblick in die natürlichen Zyklen der Klimavariabilität bietet, wie sie auf Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun festgestellt wurden. Ihre Extreme könnten uns sogar mehr über das Klima und die Wetterverhältnisse auf der Erde verraten.
Außerirdisches Leben
Studien zu den vier Riesen sind auch für die Exoplanetenforschung relevant. „Wir haben eine Sammlung unterschiedlicher Planetenatmosphären in unserem Sonnensystem, die eine Vorlage für das bilden, was wir um andere Sterne herum erwarten könnten“, schwärmte Fletcher.
„Vielleicht weisen diese exoplanetaren Ziele auch ähnliche natürliche Zyklen auf, und das Endziel besteht darin, zu versuchen, eine Wettervorhersage oder Klimavorhersage für alle Planeten zu erstellen, nicht nur für die in unserem Sonnensystem“, schlussfolgerte Fletcher.
JWST wird Wissenschaftlern bessere Einblicke in den Himmel von Planeten in den entlegensten Regionen des Sonnensystems, aber auch in Lichtjahre entfernte Welten ermöglichen, von denen einige von schützenden Atmosphären und terrestrischen Bedingungen umgeben sein könnten, die das Leben von Außerirdischen begünstigen.
„Zwei Bereiche in der Astrophysik entwickeln sich schnell. Es handelt sich um Exoplaneten und um die Kosmologie, bei der es eigentlich um die Frage nach Gott und dem Leben geht, also wo kommt das Universum her und wo kommen wir her“, sagte Leconte.
Originally published in Horizon MagazineImage credit: fikretim / Freepik (thematic illustration).Tags: James Webb Space Telescope, JWST discoveries, exoplanet atmospheres, alien life detection, TRAPPIST-1 planets, WASP-39b carbon dioxide, Uranus Neptune weather, giant planet climates, JWST exoplanet spectroscopy, origin of life astronomy