Webbs spektroskopische Suche nach erdähnlichen Planeten

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Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA untersucht potenziell bewohnbare Exoplaneten in unserer Galaxie und konzentriert sich dabei auf Kleinplaneten, die aufgrund ihrer Lage in der bewohnbaren Zone Leben ermöglichen könnten. Die Erkennung von Atmosphären, ganz zu schweigen von Biosignaturen, die auf Leben hinweisen, ist aufgrund der geringen Größe der Signale dieser Planeten und der Störungen durch ihre Muttersterne äußerst schwierig. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Die James Webb-Weltraumteleskop Es sucht aktiv nach potenziell bewohnbaren kleinen Exoplaneten und nutzt Transmissionsspektroskopie, um deren atmosphärische Zusammensetzung zu analysieren. Der Prozess wird durch die geringe Größe des Signals und die Notwendigkeit langer Beobachtungszeiträume erschwert, was die Erkennung der Biosignaturen des Lebens zu einer entmutigenden Aufgabe macht.

Exoplaneten kommen in unserer Galaxie häufig vor und einige kreisen in der sogenannten bewohnbaren Zone ihres Sterns. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA war damit beschäftigt, einige dieser potenziell bewohnbaren Planetesimale zu beobachten, und Astronomen arbeiten derzeit intensiv an der Analyse der Webb-Daten. NASA Er rief Dr. an. Kencol Colon und Christopher Stark, zwei Webb-Projektwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA, erzählen uns mehr über die Herausforderungen bei der Erforschung dieser anderen Welten.

Identifizieren Sie potenziell bewohnbare Planeten

„Ein potenziell bewohnbarer Planet wird oft als ein Planet definiert, der in seiner Größe der Erde ähnelt und in der ‚bewohnbaren Zone‘ seines Sterns umkreist, also dem Ort, an dem sich der Planet befindet. könnte Es hat eine Temperatur, bei der Wasser flüssig ist könnte auf seiner Oberfläche vorhanden. Wir kennen derzeit etwa 30 Planeten, bei denen es sich möglicherweise um kleine Gesteinsplaneten wie die Erde handelt, die in der bewohnbaren Zone kreisen.

„Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass ein Planet, der in der bewohnbaren Zone kreist, tatsächlich bewohnbar ist (Leben ermöglichen könnte), geschweige denn bewohnt ist (derzeit Leben ermöglichen könnte).“ Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels gibt es nur einen bekannten bewohnbaren und bewohnbaren Planeten – die Erde!

Vergleichen Sie die Sterne G, K und M hinsichtlich der Bewohnbarkeit

Dieses Diagramm vergleicht die Eigenschaften von drei Klassen von Sternen in unserer Galaxie: Sonnenähnliche Sterne werden als G-Sterne klassifiziert; Sterne, die weniger massereich und kühler als unsere Sonne sind, sind Zwergsterne; Noch schwächere und kühlere Sterne sind Rote Zwerge vom Typ M. Die Größe der bewohnbaren Zone variiert je nach Sternklasse. In unserem Sonnensystem beginnt die bewohnbare Zone direkt hinter der Umlaufbahn der Venus und umfasst ungefähr den Mars. Quelle: NASA, ESA und ZEE. Abgabe (STScI)

Herausforderungen bei der Beobachtung der Atmosphäre von Exoplaneten

„Die potenziell bewohnbaren Welten, die Webb beobachtet, sind alle vorhanden Exoplaneten im TransitDas bedeutet, dass ihre Umlaufbahnen nahezu seitlich verlaufen und an ihren Wirtssternen vorbeiziehen. Webb nutzt diesen Trend, um die Übertragung spektroskopisch zu untersuchen, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, die Filterung von Sternenlicht durch Planetenatmosphären zu untersuchen, um mehr über deren chemische Zusammensetzung zu erfahren.

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„Allerdings ist die Menge an Sternenlicht, die von der dünnen Atmosphäre eines kleinen Gesteinsplaneten blockiert wird, gering, typischerweise viel weniger als 0,02 %. Es ist äußerst schwierig, die Atmosphäre um diese kleinen Planeten herum zu erkennen, was das Vorhandensein von Wasserdampf verstärken kann.“ Wohnmöglichkeit ist schwieriger zu finden Biosignaturen (Biologisch erzeugte Gase) ist ein sehr herausforderndes, aber auch spannendes Unterfangen.


Wann Exoplanet Er bewegt sich direkt zwischen seinem Mutterstern und dem Beobachter. Wir sagen, dass der Planet vor seinem Mutterstern vorbeizieht. Dieser Transit schwächt das Sternenlicht um ein messbares Maß ab, und Sternenlicht wird auch durch die Atmosphäre des Exoplaneten gefiltert, sofern dieser eine solche hat. Diese Animation zeigt einen einzelnen Planeten und die entsprechende Änderung der Lichtstärke während seines Transits. Bildnachweis: Jet Propulsion Laboratory der NASA

„Derzeit gibt es nur wenige kleine, potenziell bewohnbare Welten, die für eine atmosphärische Charakterisierung mit Webb zugänglich sind, darunter die Planeten LHS 1140 b und TRAPPIST-1 e.“

Technische Herausforderungen bei der Erkennung von Biosignaturen

„manche Aktuelle theoretische Arbeiten Die Erforschung der Möglichkeit, gasförmige Moleküle in der Atmosphäre des supermassereichen Planeten LHS 1140 b nachzuweisen, zeigt mehrere Herausforderungen bei der Suche nach Biosignaturen auf. Die Arbeit legt nahe, dass etwa 10 bis 50 Transite des Planeten um seinen Mutterstern, was 40 bis 200 Stunden Beobachtungszeit mit Webb entspricht, notwendig wären, um potenzielle Biosignaturen wie Ammoniak, Phosphin und Chlormethan nachzuweisen. LachgasIm besten Fall ein klarer und wolkenfreier Himmel.

Transmissionsspektrum der erdähnlichen Atmosphäre

Ein simuliertes Transmissionsspektrum einer erdähnlichen Atmosphäre zeigt Wellenlängen des Sonnenlichts, die von Molekülen wie Ozon (O3), Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) absorbiert werden. (Beachten Sie, dass in dieser Grafik die Y-Achse die Lichtmenge zeigt, die von der Atmosphäre des erdähnlichen Planeten blockiert wird, und nicht die Helligkeit des Sonnenlichts, das durch die Atmosphäre wandert: Die Helligkeit nimmt von unten nach oben ab.) Transmissionsspektrummodell Lisa Kaltenegger und Zhivan Lin 2021 ApJL 909 Quelle: NASA, ESA, Leah Hostak (STScI)

Komplexität der Zeitpläne zur Beobachtung von Exoplaneten

„Angesichts der Tatsache, dass Webb LHS 1140 aufgrund der Position des Systems am Himmel nicht das ganze Jahr über sehen kann, könnte es mehrere Jahre, wenn nicht fast ein Jahrzehnt dauern, bis er 50 Transitbeobachtungen von LHS 1140 b gesammelt hat. Möglicherweise ist eine Fingerabdrucksuche erforderlich.“ mehr als 50 Transitbeobachtungen, wenn die Atmosphäre des Planeten bewölkt ist.

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„Die meisten kleinen Exoplaneten weisen bekanntermaßen Wolken oder Dunst auf, die das gesuchte Signal abschwächen oder verdecken. Außerdem neigen die atmosphärischen Signale dieser Biosignaturgase dazu, andere erwartete atmosphärische Signale zu stören (z. B. aufgrund von Methan oder Kohlendioxid), wodurch zwischen verschiedenen Signalen unterschieden wird.“ ist eine weitere Herausforderung.

Hycean-Planeten: ein neuer Forschungsweg

„Ein möglicher Weg bei der Suche nach Biosignaturen ist die Untersuchung hessischer Planeten, einer theoretischen Klasse supererdgroßer Planeten mit einer relativ dünnen, wasserstoffreichen Atmosphäre und einem großen flüssigen Wasserozean.“ ein Kandidat für einen potenziell hessischen Planeten.“ Basierend auf aktuellen Daten von Webb und anderen Observatorien ist er bewohnbar.

„Kürzlich veröffentlichte Arbeiten nutzten NIRSpec und NIRISS zum Nachweis von Methan und Kohlendioxid in der Atmosphäre von K2-18 b, jedoch nicht von Wasser. Das bedeutet, dass die Annahme, dass es sich bei K2-18 b um einen hessischen Planeten mit einem Ozean aus flüssigem Wasser handelt, weiterhin auf der Theorie basiert.“ Da noch keine direkten Beobachtungsbeweise vorliegen, deuteten die Autoren der Arbeit auch auf die Möglichkeit hin, dass die Biosignatur Dimethylsulfid in der Atmosphäre von K2-18 b vorhanden sein könnte, das potenzielle Dimethylsulfidsignal ist jedoch zu schwach, um schlüssig nachgewiesen zu werden aktuelle Daten.

Künstlerische Konzeption des James Webb-Weltraumteleskops

Künstlerisches Konzept des James Webb-Weltraumteleskops. Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

„Das Konzept und die Untersuchung der Hycean-Planetenklasse sind so neu, dass alternative Erklärungen für das Flüssigwasser-Ozean-Szenario (und damit für die Möglichkeit einer bewohnbaren Umgebung) noch untersucht werden sollten mehr Licht auf die Natur des potenziellen Hycean-Planeten K2-18 b und die Möglichkeit des Vorhandenseins von Dimethylsulfid in seiner Atmosphäre.

Störfaktoren in Beobachtungsdaten

„Ein weiterer verwirrender Faktor, der Webb dazu bringt, kleine Welten potenziell bewohnbar zu machen, ist, dass… Gastgeber Sterne Es kann auch Anzeichen von Wasserdampf aufweisen. Dies wurde in untersucht Webbs jüngste Beobachtungen des felsigen Exoplaneten GJ 486 b. Daher stehen wir vor der zusätzlichen Herausforderung, festzustellen, ob der von Webb nachgewiesene Wasserdampf tatsächlich aus der Atmosphäre des Planeten und nicht von seinem Stern stammt.

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Fazit: Die Zukunft der Exoplanetenforschung

„Der Nachweis von Biosignaturen in den Atmosphären kleiner, potenziell bewohnbarer Transitplaneten, die kühle Sterne umkreisen, ist ein äußerst schwieriges Unterfangen und erfordert normalerweise ideale Bedingungen (z. B. wolkenfreie Atmosphären) oder die Annahme früher Erdumgebungen (d. h. anders als die moderne Erde, wie wir sie kennen). ), der Signale erkennt, die viel kleiner als 200 ppm sind, ein gut erzogener Stern ohne nennenswerten Wasserdampf in den Sternflecken und viel Teleskopzeit, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.

„Es ist auch wichtig zu bedenken, dass die Entdeckung einer einzelnen Biosignatur keineswegs die Entdeckung von Leben auf einem Exoplaneten darstellt. Um Leben auf einem Exoplaneten zu entdecken, ist wahrscheinlich eine große Menge eindeutig nachgewiesener Biosignaturen sowie Daten von mehreren Missionen und Observatorien erforderlich. und umfangreiche Anstrengungen.“ Die Modellierung der Atmosphäre, ein Prozess, der wahrscheinlich Jahre dauern wird.

„Webbs Stärke liegt in seiner Fähigkeit, die Atmosphären einer Handvoll vielversprechender, potenziell bewohnbarer Planeten, die kühle Sterne umkreisen, zu entdecken und zu charakterisieren. Webb ist besonders in der Lage, eine Reihe von für das Leben wichtigen Molekülen wie Wasserdampf, Methan und Kohlenstoff nachzuweisen.“ „Unser Ziel ist es, so viel wie möglich über Welten zu erfahren, die bewohnbar sein könnten, auch wenn wir mit Webb keine eindeutigen Signaturen für bewohnbare Welten identifizieren können.

„Webbs Beobachtungen, kombiniert mit Studien von Exoplaneten durch das kommende römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, werden letztendlich den Grundstein für die Zukunft legen.“ Observatorium für bewohnbare WeltenEs wird die erste Mission der NASA sein, die speziell darauf ausgelegt ist, direkte Bilder aufzunehmen und nach chemischen Spuren von Leben auf erdähnlichen Planeten zu suchen, die sonnenähnliche Sterne umkreisen.

Über die Autoren:

Kencol Colon ist Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und fungiert als stellvertretender Projektwissenschaftler für das James Webb-Weltraumteleskop für Exoplanetenforschung.

Christopher Stark ist Astrophysiker am Exoplanet and Stellar Astrophysics Laboratory am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und fungiert als stellvertretender Projektwissenschaftler für das James Webb Space Telescope Observatory.

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