Photobombing: Wenn Asteroiden Selfies mit dem JWST machen! 🔭

Während das JWST TRAPPIST-1, das System mit sieben Exoplaneten, beobachtete, bemerkte ein internationales Forscherteam, darunter die Abteilung für Astrophysik des CEA Paris-Saclay, dass regelmäßig himmlische Passagiere ins Blickfeld gerieten.


Sie entwickelten daraufhin eine Methode, um diese zu untersuchen, und identifizierten so 138 neue Asteroiden des Hauptgürtels. Diese Himmelskörper, die von der Größe eines Busses bis zu der mehrerer Stadien reichen, stellen die kleinsten Asteroiden dar, die jemals in dieser Region des Weltraums entdeckt wurden.

Dank dieses neuen Ansatzes können Forscher nun Asteroiden mit einem Durchmesser von nur 10 Metern erkennen, was den Weg für eine eingehende Erforschung kleiner Objekte des Sonnensystems ebnet. Dieser Fortschritt ist entscheidend, um die Geschichte des Sonnensystems besser zu verstehen und die Überwachung potenziell gefährlicher Asteroiden zu verbessern, wodurch die planetare Sicherheit gestärkt wird.

Diese Studie wurde in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht, mit dem Titel "JWST sighting of decameter main-belt asteroids and view on meteorite sources".

Die Beobachtung von Asteroiden des Hauptgürtels, eine schwierige Aufgabe

Der Asteroid, der das Aussterben der Dinosaurier verursachte, hatte einen Durchmesser von etwa 10 Kilometern, was der Breite von Brooklyn entspricht. Ein solcher Einschlagkörper trifft die Erde nur sehr selten, mit einer geschätzten Häufigkeit von einmal alle 100 bis 500 Millionen Jahre. Im Gegensatz dazu können viel kleinere Asteroiden, vergleichbar mit der Größe eines Busses, die Erde viel häufiger treffen, alle paar Jahre, da sie viel zahlreicher sind (siehe Abbildung 1).


Diese Asteroiden, die aufgrund ihres Durchmessers von etwa zehn Metern als "dekametrisch" bezeichnet werden, sind dennoch in der Lage, Schockwellen zu erzeugen, die auf regionaler Ebene Schäden verursachen können, wie bei der Explosion von 1908 in Tunguska, Sibirien, oder der von 2013 im Himmel von Tscheljabinsk im Ural.

Diese Asteroiden stammen hauptsächlich aus dem Hauptgürtel, der sich zwischen Mars und Jupiter befindet, wo Millionen von Himmelskörpern umkreisen. Die Erfassung dieser Asteroiden ist sowohl für die wissenschaftliche Forschung – um die Ursprünge und die Entwicklung des Sonnensystems zu klären – als auch für die planetare Sicherheit – durch die Identifizierung von erdnahen Objekten, deren Umlaufbahn die der Erde kreuzt und die eine Bedrohung darstellen könnten – von grundlegender Bedeutung.

Bis vor kurzem konnten die verfügbaren Instrumente jedoch nur Asteroiden mit einem Durchmesser von mindestens einem Kilometer im Hauptgürtel erkennen. Diese Grenze ist weitgehend unzureichend, da die Mehrheit der Asteroiden in dieser Region viel kleiner ist. Darüber hinaus haben diese kleinen Asteroiden eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, den Hauptgürtel zu verlassen und zu erdnahen Objekten zu werden, was das Risiko erhöht, erhebliche Schäden auf unserem Planeten zu verursachen. Eine bessere Fähigkeit, diese kleinen Körper zu erkennen, ist daher entscheidend, um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Vom Störenfried zur wissenschaftlichen Chance: Wenn "Parasiten" zu einer wissenschaftlichen Gelegenheit werden

Im Rahmen des Programms mit dem Titel "TRAPPIST-1 Planets: Atmospheres Or Not?", das gemeinsam von der Abteilung für Astrophysik (DAp) des IRFU des CEA Paris-Saclay geleitet wird, beobachtete das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) das Exoplanetensystem TRAPPIST-1 mit dem Instrument MIRI. Das Ziel war es, die Phasenkurve der beiden ersten Planeten, TRAPPIST-1 b und c, zu untersuchen, um die Entwicklung ihres Lichtflusses über eine vollständige Umlaufbahn zu verfolgen. Diese Art der Beobachtung ermöglicht es, die thermische Emission der verschiedenen Seiten jedes Planeten zu messen und die Wärmeverteilung auf ihrer Oberfläche zu untersuchen, um das Vorhandensein einer Atmosphäre zu bestätigen oder zu widerlegen.

Um eine vollständige Umlaufbahn der Planeten b und c (jeweils 1,5 Tage und 2,42 Tage) abzudecken, erstreckten sich die Beobachtungen über etwa 60 Stunden und stellten damit das längste kontinuierliche Beobachtungsprogramm eines Sterns dar, das das JWST für die Erforschung von Exoplaneten durchführte, erklärt Elsa Ducrot, Forscherin an der Abteilung für Astrophysik des CEA, Co-Leiterin dieses Beobachtungsprogramms und Co-Autorin dieser Studie.

Bei der Analyse dieser Beobachtungen stellte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) und unter Beteiligung des DAp fest, dass sie durch Asteroiden, die das Blickfeld durchquerten, verunreinigt waren (siehe Abbildung 2a). Obwohl das Feld sehr klein ist (56,3" × 56,3"), erscheinen dort regelmäßig viele Asteroiden, da TRAPPIST-1 in der Ebene der Ekliptik liegt, wo sich die Objekte des Sonnensystems befinden, insbesondere die des Hauptgürtels.

"Für die meisten Astronomen gelten Asteroiden als lästige Himmelskörper: Sie durchqueren das Blickfeld und stören die Daten", bemerkt Julien de Wit, Co-Hauptautor dieser Studie und Forscher am MIT.

Anstatt jedoch einfach die Daten von diesen "Parasiten" zu bereinigen, wie es üblich ist, fragten sich die Forscher, ob diese Informationen nicht genutzt werden könnten, um Asteroiden in unserem eigenen Sonnensystem zu identifizieren. Dazu verwendeten sie eine Technik namens "Shift and Stack", die in den 1990er Jahren entwickelt wurde. Diese Methode besteht darin, mehrere Bilder desselben Blickfelds zu verschieben und zu stapeln, um ein schwaches Objekt hervorzuheben, das sich im Rauschen verstecken könnte.

Ein neues Fenster ins All

Die Anwesenheit von TRAPPIST-1 im Blickfeld des MIRI-Instruments stellt eine echte Chance dar, da seine Empfindlichkeit im mittleren Infrarot es zu einem perfekt geeigneten Werkzeug für die Beobachtung von Asteroiden macht. Im sichtbaren Licht ist nur das von dem Asteroiden reflektierte Sonnenlicht wahrnehmbar. Wenn dieser klein und weit entfernt ist, wird der Lichtfluss extrem schwach. Im Infrarotlicht hingegen wird das direkt vom Asteroiden emittierte Licht erfasst, was den beobachtbaren Fluss erheblich erhöht. Dank seiner großen Sammelleistung und seines Infrarotblicks erweist sich das JWST als ein ideales Instrument zur Erkennung kleiner Körper in unserem Sonnensystem.

Durch die Verarbeitung von mehr als 10.000 Bildern des TRAPPIST-1-Systems, die vom JWST aufgenommen wurden, identifizierte das Team acht bereits katalogisierte Asteroiden des Hauptgürtels. Durch eine vertiefte Analyse der Daten gelang es ihnen, 138 neue Asteroiden zu entdecken, alle mit einem Durchmesser von einigen Dutzend Metern (siehe Abbildung 2b). Diese Objekte stellen die kleinsten Asteroiden dar, die bisher in dieser Region beobachtet wurden, und ermöglichen so die Erforschung einer neuen Population von Asteroiden (siehe Abbildung 3).

"Dies ist eine völlig neue Region des Weltraums, die wir dank moderner Technologien erkunden", fügt Artem Burdanov, Hauptautor der Studie und Forscher am MIT, hinzu. "Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, was wir erreichen können, indem wir Daten anders analysieren. Manchmal übertreffen die Ergebnisse unsere Erwartungen, und das ist hier der Fall."

Die Forscher planen, diese Methode zu nutzen, um neue erdnahe Objekte zu identifizieren und zu verfolgen, deren Umlaufbahn die der Erde kreuzt.

"Wir konnten bereits erdnahe Objekte mit einer Größe von bis zu 10 Metern erkennen, wenn sie sehr nahe an uns waren", erklärt Artem Burdanov. "Jetzt haben wir eine Möglichkeit, diese kleinen Asteroiden viel weiter entfernt zu erkennen, was es uns ermöglicht, eine genauere Bahnverfolgung durchzuführen, die für die planetare Verteidigung entscheidend ist."