Das James Webb-Weltraumteleskop nimmt ein spektakuläres Bild eines neugeborenen Planeten auf.

Wenn man ein einzelnes Forschungsgebiet als repräsentativ für die moderne Astronomie auswählen müsste, wäre es zweifellos die Suche nach Exoplaneten, mit dem ultimativen Ziel, auf einem von ihnen Leben zu finden oder sogar, warum nicht, eine „zweite Erde“. All diese fernen Welten (zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels waren es fast sechstausend) bieten auch eine enorme Menge an Informationen über die komplexen Mechanismen, die die Entstehung von Planetensystemen, einschließlich unseres eigenen, steuern. Jahrzehntelang war die Entdeckung dieser schwer fassbaren Himmelskörper eine Herkulesaufgabe, aber die Ankunft des James-Webb-Weltraumteleskops vor vier Jahren markierte einen Wendepunkt. Und nun, obwohl das Teleskop bereits in den Jahren 2022 , 2023 und 2024 andere Exoplaneten entdeckt hatte, hat das James-Webb-Weltraumteleskop gerade ein außergewöhnliches direktes Bild eines jungen Exoplaneten aufgenommen, der in die Trümmerscheibe eingebettet ist, die einen neugeborenen Stern umgibt. Dies ist das direkte Bild des kleinsten Exoplaneten, der bisher mit dieser Technik entdeckt wurde.

Die Entdeckung, die die französische Astronomin Anne-Marie Lagrange vom CNRS am Paris-PSL-Observatorium in Zusammenarbeit mit der Université Grenoble Alpes machte und kürzlich in Nature veröffentlicht wurde, ist ein weiteres Beispiel für die scheinbar unendlichen Möglichkeiten des Weltraumteleskops. Der neue Planet mit der Bezeichnung TWA 7 b ist der Planet mit der geringsten Masse, der bislang durch direkte Abbildung beobachtet wurde. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Entdeckung und Charakterisierung immer kleinerer und damit erdähnlicherer Welten dar.

Doch warum ist die direkte Abbildung eines Exoplaneten so außerordentlich schwierig? Die Antwort liegt im intensiven Licht der Sterne und der im Vergleich dazu geringen Größe der Planeten. Einen Exoplaneten direkt zu beobachten, wäre so, als würde man versuchen, ein Glühwürmchen um einen mehrere Kilometer entfernten Leuchtturm tanzen zu sehen. Der Leuchtturm ist der Stern: Seine Helligkeit ist so überwältigend, dass er das schwache Licht aller ihn umkreisenden Planeten völlig übertönt. Deshalb wurde die überwiegende Mehrheit der bisher entdeckten Exoplaneten mit indirekten Methoden nachgewiesen, beispielsweise durch Transit (wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht und dessen Licht leicht abschwächt) oder Radialgeschwindigkeit (die die Gravitationsschwingung misst, die ein Planet auf seinem Mutterstern verursacht).

Diese Techniken liefern jedoch kein echtes Bild des Planeten. Dies wird durch die direkte Abbildung erreicht. Dabei wird das Eigenlicht des Planeten eingefangen, das entweder von seinem Stern reflektiert wird oder, häufiger, seine eigene Restwärme, die im Infrarotbereich beobachtet werden kann.

Und hier kommen James Webbs außergewöhnliche Infrarotfähigkeiten ins Spiel. Um das Problem der Starbursts zu lösen, verwendeten Lagrange und seine Kollegen einen neuartigen Koronographen (hergestellt in Frankreich), der auf dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des Teleskops installiert wurde, einem leistungsstarken Infrarotdetektor. So wie der Mond bei einer totalen Sonnenfinsternis dessen Licht blockiert und Wissenschaftlern ermöglicht, seine ansonsten unsichtbare Atmosphäre (die Korona) zu untersuchen, ist ein Koronograph im Wesentlichen eine undurchsichtige Scheibe oder Maske, die auf dem Teleskop platziert wird, um das Licht eines entfernten Sterns während der Beobachtung zu blockieren. Dieses Manöver ermöglicht es dem Infrarotinstrument, das viel schwächere Licht von Objekten in der Nähe des Sterns, wie Exoplaneten oder Trümmerscheiben, zu erfassen.

Der Koronograph von MIRI auf Webb ist jedoch keine einfache Schüssel, sondern beinhaltet eine Vielzahl fortschrittlicher Technologien, darunter einen Lyot-artigen Koronographen und drei Vier-Quadranten-Phasenmasken-(4QPM)-Koronographen. Diese Masken ermöglichen einen deutlich kleineren „internen Arbeitswinkel“. Das bedeutet, dass sie das Licht des Sterns in sehr geringen Winkelabständen blockieren können, wodurch die Beobachtung von Planeten, die ihren Stern viel näher umkreisen, möglich wird als bisher.

Der Beobachtungsprozess mit dem Koronographen von MIRI ist äußerst akribisch. Nachdem der Großteil des Sternenlichts blockiert wurde, verbleiben immer noch Spuren reflektierten Lichts, die die Beobachtungen stören können. Um dieses Restlicht zu eliminieren und ein schärferes Bild des Exoplaneten zu erhalten, verwenden Astronomen die Methode der Referenzsternsubtraktion. Dabei beobachten sie einen nahegelegenen, planetenfreien Referenzstern mit exakt derselben Instrumentenkonfiguration. Durch die Subtraktion des Bildes des Referenzsterns vom Bild des Zielsterns (dem mit dem Exoplaneten) können die Forscher das schwache Signal des Planeten isolieren.

Darüber hinaus verwendet Webb eine Technik namens Angular Differential Imaging (ADI), bei der das Teleskop während der Beobachtung leicht gedreht wird. Dadurch bewegt sich der Planet im Sichtfeld, während die Restlichtmuster des Teleskops statisch bleiben und sich später leichter eliminieren lassen. Dank der Kombination dieser Methoden kann das Teleskop Objekte erkennen, die bis zu einer Million Mal schwächer sind als der Stern selbst.

Die Autoren der Studie konzentrierten ihre Aufmerksamkeit auf Objekte, die für eine direkte Abbildung am geeignetsten schienen. Dabei handelte es sich um junge Systeme, nur wenige Millionen Jahre alt, die „vom Pol aus“ beobachtet werden konnten (d. h. ihre Scheiben „von oben“ gesehen). Dies ist sehr wichtig, da neu entstandene Planeten in diesen Scheiben noch heiß sind und daher mehr Infrarotlicht aussenden, wodurch sie für Webbs Instrumente „heller“ erscheinen als ältere, kühlere Planeten.

Unter den mehreren Scheiben, die von vorne beobachtet werden konnten, erregten zwei die besondere Aufmerksamkeit der Forscher, da frühere Beobachtungen bereits konzentrische ringartige Strukturen in ihrem Inneren gezeigt hatten. Dies führte zu der Vermutung, dass diese Strukturen das Ergebnis der Gravitationswechselwirkung zwischen unbekannten Planeten und kleinen Gesteins- und Eiskörpern („Planetesimalen“) sind – Vorläufern von Planeten, die in protoplanetaren Scheiben kollidieren und zusammenklumpen. Eines dieser Systeme, TWA 7 genannt, stach durch seine drei deutlich erkennbaren Ringe hervor, von denen einer besonders schmal und von zwei leeren Bereichen nahezu ohne Materie umgeben ist.

Das von James Webb aufgenommene Bild zeigte eine Infrarotquelle mitten im Zentrum des schmalen Rings. Nachdem Lagrange und sein Team die Möglichkeit von Beobachtungsfehlern (wie das Vorhandensein eines Hintergrundsterns oder eines Instrumentenartefakts) sorgfältig ausgeschlossen hatten, kamen sie zu dem Schluss, dass es sich höchstwahrscheinlich um einen Exoplaneten handelte. Detaillierte Simulationen bestätigten die Hypothese: Ein Planet der geschätzten Masse und Position könnte tatsächlich genau dort, wo er beobachtet wurde, einen dünnen Ring und eine „Lücke“ erzeugen.

Der neue Exoplanet mit der Bezeichnung TWA 7 b ist ein echtes Leichtgewicht im Vergleich zu den Riesenwelten, die bisher direkt abgebildet wurden. Tatsächlich ist er bis zu zehnmal leichter als zuvor direkt abgebildete Exoplaneten. Seine Masse, vergleichbar mit der des Saturns, beträgt etwa 30 % der Masse des Jupiters, des massereichsten Planeten unseres Sonnensystems. Das bedeutet, dass TWA 7 b, obwohl er noch immer ein Gasriese ist, deutlich weniger Masse hat als viele der „heißen Jupiter“ oder „Superjupiter“, die die Liste der direkt abgebildeten Exoplaneten anführten. Systeme wie HR 8799 beispielsweise, das vier direkt abgebildete Riesenplaneten beherbergt (der erste davon, Beta Pictoris b, wurde 2008 entdeckt), sind deutlich massereicher als TWA 7 b. Sogar Epsilon Indi Ab , das 2024 von Webb selbst mit seinem MIRI-Instrument entdeckt wurde und einer der kältesten Exoplaneten ist, von dem wir direkte Bilder haben, hat eine mehrfache Masse des Jupiters.

Das neue Ergebnis markiert somit eine neue Etappe in der Entdeckung immer kleinerer Exoplaneten durch direkte Abbildung. Es handelt sich um Welten, die der Erde ähnlicher sind als den Gasriesen unseres Sonnensystems. Obwohl TWA 7 b keine „Supererde“ ist, liegt er mit seiner Masse von etwa 0,3 Jupitermassen (etwa 100 Erdmassen) deutlich unter den zuvor mit derselben Methode entdeckten Riesen.

Die Grenzen des James-Webb-Weltraumteleskops sind jedoch noch nicht erreicht. Wissenschaftler hoffen, Bilder von Planeten aufnehmen zu können, die nur 10 % der Jupitermasse und damit noch näher an der Erdmasse liegen. Hinzu kommen die neuen Möglichkeiten zukünftiger Teleskopgenerationen, die speziell für die Suche nach Exoplaneten entwickelt wurden. Es überrascht nicht, dass Astronomen bereits eine Liste der vielversprechendsten Systeme für diese zukünftigen Beobachtungen haben.