Eine bahnbrechende Zusammenarbeit zwischen der Michigan State University, der Arizona State University und dem Lawrence-Livermore National Laboratory lüftet die Geheimnisse der Planetenentstehung. Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops und fortschrittlicher Rechenmodelle analysiert das KRONOS-Programm die Atmosphären junger Exoplaneten, von denen einige nur so alt sind wie die Dinosaurier. Durch die Untersuchung der Wechselwirkungen von Sternenlicht mit der Planetenatmosphäre hoffen Wissenschaftler, die Ursprünge dieser fernen Welten zu ergründen – und vielleicht lebensfreundliche Bedingungen zu entdecken.

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten K2-33b, eines 10 Millionen Jupiter großen Planeten, der vor seinem aktiven Wirtsstern vorbeizieht. Das System ähnelt denen, die im Rahmen der KRONOS-Kollaboration beobachtet werden. Quelle: NASA/JPL-Caltech

Astronomen versuchen seit langem, eine grundlegende Frage zu beantworten: Wie entstehen Planeten? Nun zielt eine neue Zusammenarbeit der Michigan State University, der Arizona State University und dem Lawrence Livermore National Laboratory darauf ab, mithilfe fortschrittlicher Teleskope und Hochenergie-Computing dieses Rätsel zu lösen.

Das Forschungsteam hat 154 Stunden an Bord des James Webb Space Telescope (JWST) verbracht und die Atmosphären von sieben Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) untersucht, die vor weniger als 300 Millionen Jahren entstanden sind, etwa zur gleichen Zeit, als Dinosaurier auf der Erde wandelten. Zusätzlich zu den Beobachtungen des JWST wird das Team im Rahmen des KRONOS-Programms mithilfe von Supercomputern am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) detaillierte Atmosphärenmodelle entwickeln. Diese Modelle können wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie Planeten entstehen und sich entwickeln und ob sie möglicherweise lebensfreundliche Bedingungen unterstützen.

„Das Verständnis der Zusammensetzung der Atmosphären von Planeten unterschiedlichen Alters ist immer noch ein großes Unbekanntes, da diese Planeten schwer zu finden und noch schwieriger zu charakterisieren sind“, sagte Adina Feinstein, Co-Hauptforscherin des KRONOS-Projekts, NASA Sagan Fellow und Assistenzprofessorin an der MSU. „Mit der Präzision und den Instrumenten des JWST freuen wir uns, direkt Fragen zum Aussehen von Geburtsplaneten beantworten zu können.“

JWST wird seit drei Jahren als gemeinsame Mission der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der kanadischen Weltraumorganisation betrieben. Es gibt bis zu 6.000 Planeten in der Milchstraße, und es werden immer noch mehr. Es ist offensichtlich, dass es überall Planetenbildung gibt. Einzelheiten über den Prozess der Planetenentstehung sind jedoch noch nicht bekannt. Eine Möglichkeit, dies herauszufinden, besteht darin, Planeten unterschiedlichen Alters zu beobachten, insbesondere junge Exoplaneten, die jünger als 300 Millionen Jahre sind, während sie an ihren Muttersternen vorbeiziehen.

Bei diesem Vorgang durchdringt ein Teil des Sternenlichts die Atmosphäre des Planeten und Moleküle wie Wasser oder Kohlendioxid absorbieren einen Teil des Lichts. Wissenschaftler beobachten die Transite von Exoplaneten bei verschiedenen Wellenlängen, um zu erforschen, wie sie Licht absorbieren, was Aufschluss über die Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten geben kann.

Die Geheimnisse ferner Welten erforschen

Mithilfe physikbasierter Atmosphärenmodelle können Astronomen die Zusammensetzung von Exoplaneten erforschen und sie mit Theorien zur Planetenentstehung und -entwicklung verknüpfen. Das Problem besteht darin, dass diese Modelle rechenintensiv sind. Um dieses Problem zu lösen, gewann das KRONOS-Team im Rahmen des LLNL Computing Grand Challenge-Programms 22 Millionen Stunden Rechenzeit. Dieses Programm stellt LLNL-Wissenschaftlern umfangreiche institutionelle Computerressourcen zur Verfügung, um Spitzenforschung durchzuführen.

Die von KRONOS erstellten Modelle werden verwendet, um die Zusammensetzung verschiedener Exoplanetenatmosphären zu verstehen. Dies wiederum kann genutzt werden, um zu verstehen, wie Planeten entstehen.

„Wir unternehmen einige erste Schritte, um die Atmosphären junger Exoplaneten zu entdecken – einer weitgehend unbekannten Gruppe. Durch unsere strategische Partnerschaft werden wir die Grenzen von Modellen und Daten erweitern, um neue Einblicke in die Atmosphären von Planeten und ihren Muttersternen zu gewinnen“, sagte Luis Welbanks, Co-Hauptforscher bei KRONOS, ein 51Pegasib-Forscher und neuer Assistenzprofessor an der Arizona State University. „Unsere Ergebnisse werden Licht auf die physikalischen und chemischen Prozesse werfen, die diese fernen Welten formen, und als Leitfaden für zukünftige theoretische und beobachtende Studien dienen.“

Erweiterter Anwendungsbereich: von sieben Planeten auf siebzig Planeten

Zusätzlich zu den sieben Planeten, die KRONOS untersucht, wird das Team Modelle für alle 70 vom JWST beobachteten Exoplaneten erstellen.

„Eine einheitliche Modellierung einer so großen Auswahl an Planeten – von heißen Welten mit größerer Masse als Jupiter bis hin zu Planeten mit gemäßigtem Klima und Planeten mit kleiner Erdmasse – wurde noch nie zuvor durchgeführt“, sagte LLNL-Hauptforscher Peter McGill. „Diese Aufgabe kann nur mit der erstklassigen Hochleistungs-Computing-Plattform von LLNL wirklich gelöst werden.“

Nach Fertigstellung wird das vom Team entwickelte Atmosphärenmodell der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Ziel ist es, eine offene, kollaborative Wissenschaft zu fördern und einen nachhaltigen Einfluss auf das Fachgebiet zu haben.

Zusammengestellt von /ScitechDaily