Das Fehlen einer dichten Atmosphäre für Trappist 1c zeigt, dass JWST bereit ist, nach Lebenszeichen zu suchen

Seitdem entdeckt wurde, dass die Trappisten-1-System Das Planetensystem beherbergt mindestens sieben Gesteinsplaneten und war eines der Hauptziele bei der Suche nach Lebenszeichen außerhalb unseres Sonnensystems.

Von den extrasolaren Planeten oder Exoplaneten von Trappist-1 befinden sich mindestens drei in der bewohnbaren Zone ihres Sterns und stellen die erdähnlichsten Welten dar, die jemals einen einzelnen Stern in dieser Region umkreisten, in der es weder zu heiß noch zu heiß ist zu kalt, um die Existenz von flüssigem Wasser zu verhindern – einem lebenswichtigen Bestandteil des Lebens, wie wir es kennen.

Die Konzentration erdähnlicher Welten mit der Möglichkeit von flüssigem Wasser um den Stern Trappist-1, einen rund 40 Lichtjahre von der Erde entfernten Roten Zwerg, wurde 2017 entdeckt. Weitere Untersuchungen in den Jahren 2018 und 2021 würden zeigen, dass einige der Trappisten -1-Planeten könnten tatsächlich mehr Wasser beherbergen als alle Ozeane der Erde zusammen, und dass diese Exoplaneten möglicherweise aus den gleichen Materialien wie die Erde bestehen – Eisen, Sauerstoff, Magnesium und Silizium – wenn auch in unterschiedlichen Verhältnissen.

Die wirklich spannenden Untersuchungen der Trappisten-1-Planeten standen jedoch noch bevor, denn das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) wurde am Weihnachtstag 2021 gestartet und verspricht, Astronomen und Planetenwissenschaftlern die Möglichkeit zu geben, tiefgreifende Untersuchungen der Atmosphären dieser Planeten durchzuführen Welten erkunden und möglicherweise herausfinden, ob sie „Biomarker“ haben – Anzeichen dafür, dass die richtigen Dinge zum Leben notwendig sind.

Nun folgt eine Untersuchung des zweiten Planeten des Roten Zwergsterns Trappist-1c. veröffentlicht in das Tagebuch Natur hat ergeben, dass es auf dem Planeten keine dichte Kohlendioxidatmosphäre gibt.

„Die Helligkeit und Temperatur, die wir für TRAPPIST-1 c gemessen haben, stimmen nicht mit dem überein, was wir erwarten würden, wenn der Planet ein echter Venuszwilling wäre [the second planet from the sun]“, sagte der Hauptautor der Studie und Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland, Sebastian Zieba. „Das ist eine dicke, von Kohlendioxid dominierte Atmosphäre. Die Ergebnisse stimmen eher mit einer dünneren Atmosphäre oder einem nackten Felsen überein.“

Das Fehlen eines positiven Ergebnisses mag negativ erscheinen, aber Zieba weist darauf hin, dass dies hier wirklich nicht der Fall ist, da die Arbeit zeigt, wie weit die Exoplanetenwissenschaft fortgeschritten ist und welchen Beitrag das JWST auf diesem Gebiet leisten wird.

„Ich glaube nicht, dass diese Entdeckung enttäuschend ist. „Wir wissen immer noch nicht viel über die Atmosphäre felsiger Exoplaneten“, sagte der Forscher. „Jedes Mal, wenn wir eine dieser felsigen Welten beobachten, zeichnen wir ein klareres Bild der Natur dieser Welten.“

Das James Webb-Weltraumteleskop spielt „Peek-a-Boo“ mit Trappist 1c

Zieba und das Team untersuchten Trappist 1c mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST und beobachteten, wie sich der Planet während eines Ereignisses namens Sekundärfinsternis hinter seinen Mutterstern bewegte.

„Wir haben vier sekundäre Finsternisse von Trappust-1c beobachtet, bei denen der Planet hinter dem Stern verschwindet und wir nur das Sternlicht beobachten“, erklärte Zieba. „Unmittelbar vor und nach der Sonnenfinsternis sehen wir den Stern zusammen mit der Tagseite des Planeten. Anhand dieses Guck-Guck-Spiels mit dem Planeten können wir das vom Planeten emittierte Licht messen [its flux] und seine Temperatur bestimmen.“

Der Forscher sagte, er und das Team hätten mit Zuversicht die Abnahme des Lichts festgestellt, als der Planet hinter seinem Stern verschwand. Der vom JWST während der Sonnenfinsternis festgestellte Rückgang des Flusses betrug nur 0,04 %.

„Für unsere Beobachtungen verwendeten wir das Mid-Infrared Instrument (MIRI) auf JWST in Kombination mit einem Filter, sodass wir nur das vom Planeten kommende Licht in etwa 15 Mikrometern beobachten“, fuhr Zieba fort. „Wir haben das getan, weil Kohlendioxidgas bevorzugt Licht bei 15 Mikrometern absorbiert. Wenn TRAPPIST-1 c also eine kohlendioxidreiche Atmosphäre hätte, würde der Planet bei dieser Wellenlänge dunkler erscheinen. Wir erfahren daher direkt etwas über die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre des Planeten, indem wir den Planeten in diesem Modus beobachten.“

Das Fehlen einer dichten Kohlendioxidatmosphäre deutet darauf hin, dass sich Trappist-1c mit sehr wenig Wasser gebildet hat, einem Schlüsselbestandteil des Lebens. Zieba vermutet, dass Trappist-1c irgendwann einmal eine Atmosphäre gehabt haben könnte, dass diese aber durch die harte Strahlung seines Muttersterns, des Roten Zwergsterns oder M-Zwergs, verloren gegangen sein könnte, der jetzt kühl ist, es aber in der ersten Milliarde Jahre war Leben, eine Quelle intensiver ultravioletter und Röntgenstrahlung.

„Kleine Sterne wie TRAPPIST-1 bestrahlen ihre Planeten über lange Zeiträume mit ultravioletter Strahlung und Fackeln“, fügte er hinzu. „Die Planeten im System, die ihren Muttersternen am nächsten sind, haben am wahrscheinlichsten ihre Atmosphäre verloren. Dies liegt daran, dass kleine Sterne wie TRAPPIST-1 bekanntermaßen lange Zeit in der UV-Strahlung aktiv sind und viele Flares erzeugen. Dies kann zu atmosphärischem Verlust führen.“

Keine Atmosphäre, aber ein entscheidender Test

Die Untersuchung von Trappist-1c hat möglicherweise keine Kohlendioxidatmosphäre ergeben oder das Potenzial für flüssiges Wasser und Leben auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems offenbart, ist aber ein wichtiger Schritt bei der Erforschung von Exoplaneten. Dies liegt daran, dass es die Fähigkeit des JWST demonstriert, Gesteinswelten und ihre Atmosphären auf einem Niveau zu untersuchen, das andere Instrumente nicht konnten.

„Wir wollen vor allem wissen, ob kleine Sterne bewohnbare Planeten beherbergen können. „Wir wissen, dass Gesteinsplaneten um M-Zwergsterne besonders anfällig für den Verlust ihrer Atmosphäre sind“, fuhr Zieba fort. „Diese kleinen Sterne haben typischerweise häufigere Ausbrüche und emittieren zu Beginn ihres Lebens viel UV-Strahlung.“

Astronomen wissen nicht, ob Gesteinsplanetenatmosphären häufig um Rote Zwergsterne wie Trappist-1 bestehen, was bedeutet, dass diese Beobachtungen bei der Beantwortung dieser wichtigen Frage helfen. Auch die Beobachtungen an sich waren schon eine Meisterleistung.

„Ich war wirklich positiv geschockt, als ich die Sonnenfinsternis sah. „Das ist ein winziges Signal und es ist wirklich erstaunlich, dass wir dies jetzt endlich mit dem neuen JWST erreichen können“, fügte Zieba hinzu. „Frühere Beobachtungen der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer waren ziemlich unschlüssig, und viele Szenarien hätten die Beobachtungen dieser kleineren Observatorien erklären können: Wolken, Kohlendioxidatmosphären, Sauerstoffatmosphären oder überhaupt keine Atmosphären.“ Jedes dieser Szenarien hätte die früheren Beobachtungen erklären können.

„Es ist großartig, dass wir der Wahrheit nun noch näher auf den Grund gehen können.“ Zieba erklärte auch, dass die Beobachtungen von TRAPPIST-1 c mit dem JWST ihn zum kleinsten Exoplaneten mit einem gemessenen Fluss machen und mit einer Temperatur von 380 Kelvin auch die niedrigste gemessene Temperatur für einen transitierenden Exoplaneten aufweisen.

„In der Zeit vor JWST lag die niedrigste Temperatur, die wir messen konnten, bei LHS 3844 b bei angenehmen 1000 Kelvin!“ er sagte.

Was ist mit den anderen Trappist-1-Planeten?

Trappist-1c ist nicht der einzige Planet in diesem System, auf dem es keine Atmosphäre gibt. Anfang dieses Jahres wurde festgestellt, dass der dem Roten Zwergstern am nächsten gelegene Planet, Trappist-1b, ebenfalls nur noch eine nackte, felsige Welt ohne Kohlendioxid darstellt.

Dies hat definitiv Auswirkungen auf die Möglichkeit, Atmosphären um die anderen Trappist-1-Planeten herum zu finden, und damit auf die Existenz von Leben im System.

„Wenn TRAPPIST-1 b und c dicke Atmosphären gezeigt hätten, hätte das sicherlich die Wahrscheinlichkeit erhöht, Atmosphären auf den anderen Planeten im System zu finden“, erklärte Zieba. „Planeten, die weiter von den Muttersternen entfernt sind, haben möglicherweise eher ihre Atmosphäre behalten. Am Ende werden wir erst dann wissen, ob die anderen Trappisten-1-Planeten Atmosphären haben, wenn wir sie beobachten.“

Der Forscher fügte hinzu, die gute Nachricht sei, dass alle Planeten im TRAPPIST-1-System im ersten Betriebsjahr des JWST beobachtet werden sollen. „Die Ergebnisse von TRAPPIST-1 b und c wurden jetzt veröffentlicht. Die anderen Planeten werden folgen. Seien Sie also gespannt auf neue Ergebnisse von den anderen Planeten!“ schloss Zieba.

Referenz: Sebastian Zieba, et al., Keine dicke Kohlendioxidatmosphäre auf dem felsigen Exoplaneten TRAPPIST-1 c, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06232-z

Hauptbild: Eine Abbildung zeigt den felsigen Exoplaneten Trappist-1c, einen der sieben Planeten, die den Stern Trappist-1 umkreisen. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)