Eine Illustration des fremden Planeten AF Leb b. Inset: Bilder des Planeten, die vom James Webb Weltraumteleskop aufgenommen wurden.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/ K. Franson. et al/ the Astrophysical Journal Letters)
Das James Webb Weltraumteleskop hat den bisher massearmsten extrasolaren Planeten außerhalb des Sonnensystems direkt abgebildet. Der Planet ist auch derjenige, der seinem Stern am nächsten ist und von dem 10 Milliarden Dollar teuren Weltraumteleskop direkt beobachtet werden konnte.
Die Aufnahme war ein „Wettlauf mit der Zeit“, da der extrasolare Planet oder „Exoplanet“ kurz davor stand, hinter dem blendenden Licht seines Muttersterns zu verschwinden, vielleicht sogar für ein Jahrzehnt.
Der Planet AF Leporis b (AF Lep b) ist kein Unbekannter, wenn es darum geht, Rekorde aufzustellen. Im Jahr 2023 wurde dieser extrasolare Planet oder „Exoplanet“ der massearmste Planet außerhalb des Sonnensystems, der durch direkte Beobachtung entdeckt wurde. Dann wurde er der massearmste Planet, dessen Masse mit Hilfe der „Astrometrie“ gemessen wurde, einer Technik, bei der die Bewegung eines Sterns über viele Jahre hinweg beobachtet wird, um „Wobbler“ zu identifizieren, die durch die Gravitationskraft eines Planeten in der Umlaufbahn verursacht werden.
AF Lep b ist ein junger Exoplanet mit einem geschätzten Alter von nur 23 Millionen Jahren. Wenn das alt klingt, sollte man bedenken, dass die Erde schätzungsweise 4,6 Milliarden Jahre alt ist. AF Lep b hat eine Masse, die etwa 3,2-mal so groß ist wie die des Jupiters, und eine Breite, die etwa 1,2-mal so groß ist wie die des Gasriesen im Sonnensystem.
„AF Lep b befindet sich genau an der Grenze der Nachweisbarkeit. Obwohl es außerordentlich empfindlich ist, ist JWST kleiner als unsere größten Teleskope am Boden“, sagte der Forscher Kyle Franson von der University of Texas in Austin in einer Erklärung. „Und wir beobachten bei längeren Wellenlängen, was zur Folge hat, dass die Objekte unschärfer erscheinen. Es wird schwierig, eine Quelle von einer anderen zu unterscheiden, wenn sie so nah beieinander erscheinen.“
Da AF Lep b jedoch 88 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint er dem James Webb Space Telescope (JWST) immer noch als kaum mehr als ein Fleck. Glücklicherweise können die Astronomen von einem solchen „Fleck“ eine ganze Menge lernen.
Ein Glühwürmchen auf einem Leuchtturm
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten in den 1990er Jahren ist der Exoplaneten-Katalog auf über 6.000 Einträge angewachsen, und Tausende weitere werden noch bestätigt. Doch nur sehr wenige von ihnen wurden direkt abgebildet.
Die meisten Exoplaneten werden durch ihre Wirkung auf ihren Wirtsstern entdeckt, entweder wenn sie das Licht blockieren, wenn sie die Oberfläche ihres Sterns kreuzen, oder durch die Gravitationskraft, die sie auf den Stern ausüben.
Das liegt daran, dass der Winkelabstand zwischen Exoplaneten und ihren Wirtssternen bei einer Entfernung von vielen Lichtjahren sehr klein wird, so dass sie schwer zu erkennen sind und vom Licht ihrer Sterne überstrahlt werden. Man kann sich das so vorstellen, als ob man auf dem Deck eines Schiffes vor der Küste steht und versucht, das Licht eines Glühwürmchens zu sehen, das auf der beleuchteten Lampe eines Leuchtturms sitzt.
Das JWST verfügt über einen Vorteil bei der Beobachtung von Exoplaneten in der Nähe ihrer Sterne: ein Instrument namens Koronagraph. Dieser blockiert das Licht eines Sterns, so dass Planeten, die ihn umkreisen, besser beobachtet werden können. AF Lep b ist ein guter Kandidat für eine solche Beobachtung, denn als sehr junger Planet ist sein „Glühwürmchen-Glühen“ sehr stark.
Das Team wollte mehr über die Atmosphäre dieses Exoplaneten erfahren, da Welten wie AF Lep b mit Massen, die denen von Gasriesen im Sonnensystem ähneln, selten sind. Um dies zu erreichen, musste das Team jedoch schnell handeln.
Bilder des Exoplaneten AF Lep b, wie er vom James Webb Weltraumteleskop im Oktober 2023 und Januar 2024 gesehen wurde (Bildnachweis: K. Franson., et al., The Astrophysical journal Letters)
Dieser Wettlauf gegen die Zeit für diese Astronomen entstand, weil der ferne Gasriese derzeit etwa achtmal so weit wie die Erde und die Sonne von seinem Stern entfernt ist, seine Bahn sich aber aus unserer Perspektive dem Stern nähert.
Bei seinem derzeitigen Abstand zu seinem Stern blockiert der Koronagraph 90 % des Lichts von AF Lep, aber je näher der Planet an seinen Stern herankommt, desto mehr wird blockiert, bis der Planet auch mit diesem Instrument nicht mehr vom JWST gesehen werden kann.
Das Team hätte darauf warten können, dass AF Lep b auf der anderen Seite des Sterns auftaucht, aber bei einer Umlaufbahn von 25 Erdjahren könnte es über ein Jahrzehnt dauern, bis dies möglich wird.
„Die gängige Meinung war, dass JWST empfindlicher für massearme Planeten auf weiten Umlaufbahnen ist als bodengestützte Einrichtungen, aber vor dem Start war nicht klar, ob es bei kleinen Abständen konkurrenzfähig sein würde“, sagte Brendan Bowler, Teammitglied und Astronom der University of Texas, in der Erklärung. „Wir stoßen hier wirklich an die Grenzen der Instrumentierung“.
Das Team entdeckte bei seinen Beobachtungen, dass AF Lep b eine sehr aktive Atmosphäre hat, in der Konvektionsströme Elemente zwischen den unteren und oberen Schichten vermischen. Das Team entdeckte in der Umgebung von AF Lep b auch viel mehr Kohlenmonoxid als erwartet. Sie stellen die Hypothese auf, dass starke Aufwinde die einzige Möglichkeit sind, dieses Gas in die obere Atmosphäre des Planeten zu bringen.
Für das Team war es aufregend, mehr über diesen Exoplaneten zu erfahren, aber vielleicht noch aufregender ist, dass diese Beobachtungen überhaupt möglich waren. Die Forschung ist ein weiterer Beweis dafür, dass das JWST die Erwartungen übertrifft.
„Im Großen und Ganzen wurden diese Daten im zweiten Betriebsjahr von JWST aufgenommen“, so Bowler abschließend. „Es geht nicht nur um die Planeten, von denen wir jetzt wissen. Es geht auch um die Planeten, die wir bald entdecken [werden] . Dies ist ein Vorgeschmack auf einige der aufregenden Arbeiten, die wir in den kommenden Jahren sehen werden.
„Es gibt noch viel mehr zu tun.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.
