Direkte Aufnahmen von Exoplaneten ermöglichen es, ihre Atmosphäre und Umgebung zu untersuchen, indem ihre Intensität in verschiedenen Wellenlängen gemessen wird. Schon mehrere solcher Systeme sind dank erdgebundener Instrumente mit extrem adaptiver Optik auf 8- bis 10-Meter-Teleskopen bekannt. Aber das James-Webb-Weltraumteleskop eröffnet den Zugang zum mittleren Infrarotbereich, einem Wellenlängenbereich, der bislang noch nie genutzt wurde.
Bilder des HR 8799-Systems, die vier junge Riesenplaneten bei 10,65 und 11,40 Mikron (1 und 2) und die innere Staubscheibe bei 15,50 und 23 Mikron (3 und 4) zeigen. Diese ist bei den höheren Wellenlängen heller als die Planeten.
© Anthony Boccaletti
Tatsächlich befinden sich die Exoplaneten sehr nahe bei ihren Wirtssternen, die zudem viel heller sind und daher schwerer zu beobachten. Um sie zu entdecken, ist ein Koronagraph notwendig, ein System zur Abschwächung des Sternenlichts, das die Planeten auf ihren Umlaufbahnen sichtbar macht.
Ein französisches Team, das CNRS-Wissenschaftler von Terre & Univers einbezog, entwickelte in den 2000er Jahren einen neuen Typ von Koronagraphen: die Vier-Quadranten-Phasenmaske. Drei dieser Masken sowie eine sogenannte "Lyot-Maske" (benannt nach dem Erfinder des Sonnenkoronagraphen in den 1930er Jahren) sind im MIRI-Instrument installiert, dessen Bildgebungssystem in Frankreich entwickelt und hergestellt wurde. Dieses System ermöglicht es erstmals, Bilder von Exoplaneten bei Wellenlängen von 10 bis 20 Mikron zu erhalten.
Dank dieser Technologie, die auf photometrischen Messungen im mittleren Infrarotbereich basiert und mit erdgebundenen Nahinfrarotbeobachtungen kombiniert wird, ist eine neue, präzisere Schätzung des Durchmessers dieser Planeten (zwischen 1 und 1,5 Jupiterradien) möglich. Diese scheint besser mit den Vorhersagen der planetaren Evolutionsmodelle im Einklang zu sein, angesichts ihres Alters von 30 Millionen Jahren.
Während man ursprünglich nur drei dieser Planeten erwartete, ermöglichte die Empfindlichkeit des MIRI-Koronagraphen auch die Entdeckung eines vierten, noch näher an HR8799 gelegenen Planeten. Das Vorhandensein von Ammoniak in der Atmosphäre, das bei dem kältesten der vier Planeten gesucht wurde, konnte jedoch nicht bestätigt werden. Schließlich wurde die aus mikrometergroßen Staubpartikeln bestehende innere Scheibe noch nie zuvor abgebildet. Ihre Existenz impliziert, dass es wahrscheinlich keine weiteren Riesenplaneten innerhalb von 15 Astronomischen Einheiten um den Stern gibt.
Weitere junge Exoplanetensysteme werden mit dem MIRI-Koronagraphen beobachtet, um insbesondere die Signatur von Ammoniak bei Planeten mit Temperaturen unter 1000 Kelvin zu suchen, was zu einem besseren Verständnis der Mechanismen der Exoplanetenbildung beitragen wird.
Referenz:
Imaging detection of the inner dust belt and the four exoplanets in the HR 8799 system with JWST's MIRI coronagraph Anthony Boccaletti et al.
Astronomy & Astrophysics (A&A), 686, A33 (2024)
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347912