Eine Welt in einem Lichtstrahl sehen

Sep 02, 2023

Das erste Vollfarbbild des Webb-Teleskops, das Präsident Biden am 11. Juli 2022 öffentlich veröffentlichte. Im Mittelpunkt des Bildes steht ein Galaxienhaufen namens SMACS 0723. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA und STScI.

Von Joshua N. Winn 24. August 2023

Am 11. Juli 2022 enthüllte US-Präsident Biden das erste offizielle Bild, das mit dem James Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurde. „Und heute“, sagte Biden bei der Eröffnung dieser öffentlichen Veranstaltung, „werden wir einen Blick auf … Licht von anderen Welten werfen, die Sterne umkreisen, die weit über unserer eigenen liegen.“ Er sprach über das Potenzial des Webb-Teleskops, Exoplaneten zu untersuchen, was eines der heißesten Themen in der Astrophysik ist und seit fast 20 Jahren im Mittelpunkt meiner Forschung steht.

Dann wurde das Bild enthüllt: ein Panorama Tausender entfernter Galaxien, Milliarden Lichtjahre entfernt, von denen jede unzählige Sterne enthält. Atemberaubend! Ich wusste, dass es meine Kollegen in der Kosmologie, der Erforschung des gesamten Universums und nicht einer bestimmten Galaxie, eines bestimmten Sterns oder eines bestimmten Planeten, begeistern würde. Ich habe mir vorgenommen, einen Großdruck für mein Büro zu bestellen.

Es war ein großartiger Start für die Presseveranstaltung – aber wo waren die Exoplaneten? Ich wartete darauf, dass Bill Nelson, der Chef der NASA, Präsident Biden mit exoplanetaren Daten verblüffen würde.

Meine Vorfreude wuchs, als Nelson von dem Teleskop schwärmte: „Es wird so präzise sein, dass man anhand der chemischen Zusammensetzung, die wir mit diesem Teleskop ihrer Atmosphäre bestimmen können, sehen wird, ob es Planeten gibt oder nicht.“ bewohnbar." Darauf antwortete der Präsident: „Es ist erstaunlich. Ich frage mich, wie die Presse an diesen anderen Orten ist.“ Dann ging der Präsident.

Wie enttäuschend! Die NASA verpasste die Gelegenheit, eine der größten Superkräfte des Webb-Teleskops zu demonstrieren – die Fähigkeit, die Atmosphären von Planeten zu untersuchen, die Lichtjahre entfernt sind, und möglicherweise sogar Moleküle zu entdecken, die auf Leben hinweisen.

Ich verstehe, warum Nelson beim Galaxienbild blieb, obwohl er über Exoplaneten sprach. Es ist leicht, Bilder wunderschöner Galaxien zu betrachten und die Vielfalt an Farben und Formen zu bewundern, während man über ihre enorme Größe und entfernten Entfernungen nachdenkt. Aber wir können keine Bilder von Exoplaneten machen. Selbst mit unseren leistungsstärksten Teleskopen erscheint ein entfernter Stern als strukturloser Lichtpunkt. Das viel schwächere Licht aller umlaufenden Planeten geht normalerweise im Blendlicht des Sterns verloren.

Dennoch können wir viel über Exoplaneten lernen. Eines der frühesten Ziele des Webb-Teleskops war beispielsweise der Planet Bocaprins, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, der sich 700 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Jungfrau befindet. Obwohl Bocaprins auf keinem Bild zu sehen ist, wissen wir, dass sein Durchmesser etwa 91.000 Kilometer beträgt, sein „Jahr“ (die Zeit, die für eine vollständige Umrundung des Sterns benötigt wird) 4,06 Erdentage beträgt und seine Atmosphäre Kohlendioxid und Wasser enthält Dampf und Schwefeldioxid.

Was ist das für eine Zauberei? Wie kann das Webb-Teleskop oder ein anderes Teleskop so intime Details über einen unsichtbaren Planeten enthüllen? Folgendes hätte ich Präsident Biden gesagt:

Der Trick besteht darin, Finsternisse zu beobachten. Von unserem Standpunkt aus in der Galaxie führt Bocaprins‘ Umlaufbahn ihn zufällig direkt vor seinen Heimatstern und blockiert dabei einen kleinen Teil des Lichts des Sterns. Während einer Sonnenfinsternis scheint die Helligkeit des Sterns um etwa 2 % zu schwächen, woraus wir schließen können, dass der Planet etwa 2 % der sichtbaren Oberfläche des Sterns bedeckt. Aus dieser Tatsache können wir den Durchmesser des Planeten berechnen. Diese Miniaturfinsternisse wiederholen sich alle 4,06 Tage und verraten so die Länge des „Jahres“ des Planeten.

Um die Atmosphäre des Planeten zu erforschen, spielen wir einen anderen Trick: Wir beobachten Finsternisse mit einem Spektrographen, einem Gerät, das das Sternenlicht in einen Regenbogen aus Farben zerlegt. Während einer Sonnenfinsternis erscheinen einige Farben im Regenbogen etwas dunkler als gewöhnlich. Dies liegt daran, dass ein kleiner Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten dringt und jedes Molekül in der Atmosphäre eine einzigartige Reihe von „Lieblingsfarben“ hat, die es stärker absorbiert als andere. Indem wir beobachten, welche Farben im Regenbogen fehlen, können wir die verantwortlichen Moleküle identifizieren.

Die Farben eines Regenbogens werden durch die Wellenlänge des Lichts quantifiziert, von 0,4 µm (Millionstel Meter) für Violett bis 0,7 µm für Rot. Das Webb-Teleskop ist auf rote und infrarote Wellenlängen („röter als rot“) von 0,6 bis 29 µm spezialisiert. Webb hat bei Bocaprin-Finsternissen Spektroskopie durchgeführt und die Ergebnisse können in einem Diagramm visualisiert werden, das die prozentuale Änderung der Helligkeit des Sterns bei Dutzenden von Wellenlängen zeigt. Der Planet blockiert etwas mehr Licht bei 4,3 µm als bei umgebenden Wellenlängen, was auf Kohlendioxid schließen lässt. Ähnliche Merkmale an anderen Stellen im Spektrum verraten das Vorhandensein von Schwefeldioxid und Wasserdampf.

Nach dieser Erläuterung der Spektroskopie hätte ich den Präsidenten gebeten, über die Tatsache nachzudenken, dass wir durch die Analyse des Lichts eines fernen Sterns nicht nur die Existenz eines Riesenplaneten aufdecken können, sondern auch erkennen können, dass die Atmosphäre des Planeten etwas feucht ist .

Wie steht es mit der Verbindung zur Suche nach Leben auf anderen Planeten? Die Idee ist, dass biologische Prozesse nachweisbare Veränderungen in der Atmosphäre eines Planeten hervorrufen könnten. Das Leben auf der Erde ist der Beweis dafür. Sauerstoff ist in unserer Atmosphäre nur deshalb reichlich vorhanden, weil photosynthetische Organismen – Pflanzen, Algen und Cyanobakterien – ihn ständig nachfüllen. Ohne Photosynthese würde der größte Teil des Sauerstoffs verschwinden. Deshalb wäre der Nachweis von Sauerstoff in der Atmosphäre eines Planeten mit ähnlichen Eigenschaften wie die Erde so spannend.

Zugegebenermaßen ist dies ein spekulatives Unterfangen. Selbst das Webb-Teleskop ist wahrscheinlich nicht leistungsstark genug, um in der Atmosphäre eines so kleinen Planeten wie der Erde nach Sauerstoff zu suchen. In diesem Sinne hat der NASA-Chef übertrieben, als er den Präsidenten über Webbs Fähigkeiten informierte. Aber die Aussicht auf die Suche nach „Biosignaturgasen“ wie Sauerstoff ist so verlockend, dass Wissenschaftler und Ingenieure bereits damit begonnen haben, künftige Teleskope noch besser als Webb zu entwerfen.

Exoplanetenforscher haben eine interessante Beziehung zur Öffentlichkeit. Jeder möchte wissen, ob es anderswo im Universum Leben gibt. Es ist leicht zu verstehen, warum die Entdeckung und Erforschung von Exoplaneten für die langfristige Suche nach Leben wichtig ist. Aber die durch Science-Fiction bedingte Öffentlichkeit möchte diese Planeten sehen. Haben sie Kontinente und Ozeane? Monde? Ringe wie Saturn? Und alles, was wir ihnen derzeit geben können, sind strukturlose Lichtpunkte und Diagramme der Helligkeit im Verhältnis zur Zeit oder Wellenlänge.

Es behindert die unmittelbare öffentliche Wertschätzung unserer Arbeit. Aber es ist auch eine Gelegenheit, etwas Physik und Astronomie zu lehren – und die wunderbare und beeindruckende Tatsache zu vermitteln, dass wir allein aus der flackernden Helligkeit und Farbe eines Lichtpunktes am Himmel so viel lernen können.

Joshua Winnist Professor für Astrophysik an der Princeton University und Mitforscher der laufenden NASA-Mission „Transiting Exoplanet Survey Satellite“.