Astronomen haben mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops eine bahnbrechende Entdeckung gemacht: den ersten bestätigten Nachweis von Schwefelwasserstoffgas in der Atmosphäre von drei massereichen Exoplaneten, die den Stern HR 8799 umkreisen. Diese Entdeckung liefert entscheidende Beweise für die Entstehung dieser Gasriesen und lässt darauf schließen, dass sie zu Beginn ihrer Entwicklung feste Materialien anhäuften – ein Prozess, der Aufschluss über die Planetenentstehung im gesamten Universum geben könnte.
Das HR 8799-System: Ein einzigartiges Labor
HR 8799 ist ein relativ junger Stern, nur 30 Millionen Jahre alt, der etwa 129 Lichtjahre entfernt im Sternbild Pegasus liegt. Im Gegensatz zu den meisten Exoplaneten, die indirekt entdeckt werden, sind die vier Planeten, die HR 8799 umkreisen (b, c, d und e), durch leistungsstarke Teleskope direkt sichtbar. Diese Super-Jupiter haben eine fünf- bis zehnfache Masse des Jupiters und umkreisen ihren Stern in großer Entfernung – etwa 15-mal weiter als die Erde von der Sonne entfernt ist.
Dieses System ist bemerkenswert, weil es das einzige derzeit bekannte System ist, das vier riesige Gasriesen beherbergt. Die Entdeckung wirft grundlegende Fragen darüber auf, wie solche Systeme entstehen, da die meisten anderen beobachteten exoplanetaren Systeme weniger oder kleinere Begleiter haben.
Schwefel als Schlüsselindikator für die Feststoffbildung
Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jean-Baptiste Ruffio von der University of California in San Diego nutzte Webbs außergewöhnliche Sensibilität, um die atmosphärische Zusammensetzung der Planeten c, d und e zu analysieren. Der Schlüsselbefund? Das Vorhandensein von Schwefelwasserstoffgas (H₂S).
Warum ist Schwefel wichtig? Im Gegensatz zu Kohlenstoff oder Sauerstoff, die sowohl aus Gas als auch aus festen Materialien in einer Planetenscheibe stammen können, muss Schwefel in solchen Entfernungen von einem Stern aus festem Material stammen. Schwefel in der Gasphase würde bei diesen Temperaturen nicht überleben. Dies bedeutet, dass die Planeten während ihrer Entstehung Schwefel in Form von Feststoffen anreicherten.
„Auf diesen Planeten könnte sich auf keinen Fall Schwefel als Gas angesammelt haben“, erklärte Dr. Jerry Xuan, Postdoktorand an der UCLA und am Caltech.
Das Team entwickelte neue Datenanalysetechniken, um die schwachen Signale aus Webbs Beobachtungen zu extrahieren, da die Planeten etwa 10.000 Mal schwächer sind als ihr Stern.
Universelle Trends in der Zusammensetzung des Planeten
Das Verhältnis von Schwefel zu Wasserstoff sowie Kohlenstoff und Sauerstoff ist auf diesen Exoplaneten deutlich höher als in HR 8799 selbst. Dies weist auf einen deutlichen Unterschied in der Zusammensetzung der Planeten und ihres Muttersterns hin.
Interessanterweise wird das gleiche Muster der Anreicherung schwerer Elemente auch bei Jupiter und Saturn in unserem eigenen Sonnensystem beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass sich Planeten in verschiedenen Systemen mit einer ähnlichen Tendenz zur Ansammlung schwerer Elemente in etwa gleichen Anteilen bilden könnten.
„Es ist nicht einfach, die gleichmäßige Anreicherung von Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff für Jupiter zu erklären, aber die Tatsache, dass wir dies in einem anderen System sehen, legt nahe, dass bei der Entstehung von Planeten etwas Universelles im Gange ist“, sagte Dr. Xuan.
Zukünftige Auswirkungen auf die Suche nach erdähnlichen Planeten
Die in dieser Studie verwendeten Methoden – die visuelle und spektrale Trennung von Planeten von ihren Sternen – werden für die zukünftige Exoplanetenforschung von entscheidender Bedeutung sein. Obwohl sie derzeit auf Gasriesen beschränkt sind, planen Wissenschaftler mit der Verbesserung der Teleskope, diese Techniken zur detaillierten Untersuchung erdähnlicher Planeten einzusetzen.
Die Suche nach Erdanalogen bleibt ein langfristiges Ziel. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es Jahrzehnte dauern könnte, bis sie ein Spektrum eines erdähnlichen Planeten erhalten und mit der Suche nach potenziellen Biosignaturen in seiner Atmosphäre beginnen. Diese Erkenntnisse stellen jedoch einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Endziels dar.
Zusammenfassend bestätigt der Nachweis von Schwefelwasserstoff in der Atmosphäre der Gasriesen von HR 8799, dass diese Planeten durch Ansammlung fester Materialien entstanden sind, und trägt damit zu den wachsenden Beweisen für universelle Muster bei der Planetenentstehung bei. Dieser Durchbruch liefert wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Exoplanetensuchen und bringt uns dem Verständnis der Vielfalt von Planetensystemen außerhalb unseres eigenen näher.
