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Warum gibt es so viel Aufregung über die Entdeckung von Helium auf einem Exoplaneten? Ist es nicht Sauerstoff, nach dem wir suchen sollten, denn diesen braucht das Leben? Wozu brauchen wir Helium?
Sie haben Recht, dass Helium um einen Gasriesen keine Überraschung ist und Sauerstoff auf einem erdähnlichen Planeten spektakulär wichtiger wäre. Die Aufregung ist jedoch einfach, dass Sie, wenn Sie ein Element erkennen können, möglicherweise auch ein anderes erkennen können. Es bietet Ihnen einfach mehr Möglichkeiten, etwas über den Planeten zu erfahren, und verspricht neue Wege des Lernens. Man könnte eine Analogie zur ersten Entdeckung von Exoplaneten finden, die "heiße Jupiter" waren. Niemand war überrascht, dass Sterne Planeten haben können, und niemand glaubt, dass heiße Jupiter dem Leben förderlich sind, aber wenn Sie eine Art von Planeten entdecken können, ist dies ein gutes Zeichen für die spätere Entdeckung anderer. Alles, was wir über Komposition lernen können, ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung.
Helium zum ersten Mal in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt
- Ein 200 Lichtjahre entfernter Exoplanet hat eine Atmosphäre aus Helium
- Dies ist der erste Planet, der mit dem gasförmigen Element entdeckt wurde
- Wissenschaftler haben eine neue Technik verwendet, die Infrarotstrahlung verwendet, nicht UV-Strahlen
- Die neue Methode könnte Türen öffnen, um mehr Exoplaneten mit einer Atmosphäre zu finden, die außerirdisches Leben unterstützen kann
Wissenschaftler haben erstmals Helium in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt.
Helium ist eines der häufigsten Elemente im Universum, wurde aber bisher noch nicht in der Atmosphäre eines Exoplaneten gesehen.
Die Stärke des erkannten Signals war so groß, dass Wissenschaftler glauben, dass sich die obere Atmosphäre des Planeten über mehrere zehntausend Kilometer in den Weltraum erstrecken könnte.
Die Entdeckung ist ein weiterer Schritt in der Weltraumforschung, da Wissenschaftler weiterhin nach weiteren Exoplaneten und außerirdischem Leben suchen.
Diese künstlerische Darstellung von WASP 107b zeigt das Helium in der Atmosphäre als dunkle Wolke über dem Planeten. Die orangefarbenen Strähnen links im Bild sind Teil der heißen Sternenatmosphäre. Dies ist das erste Mal, dass Helium auf einem Exoplaneten gefunden wurde
Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung eines Doktoranden der Universität Exeter entdeckte Beweise für das Edelgas auf dem Exoplaneten WASP-107b
Dieser ‘Super-Neptun’-Planet befindet sich 200 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau.
Der Durchbruch nutzte das umlaufende Hubble-Weltraumteleskop und zeigte eine Fülle von Helium in der oberen Atmosphäre.
Helium ist das zweithäufigste Element im Universum und wird seit langem als eines der am leichtesten nachweisbaren Gase auf riesigen Exoplaneten vorhergesagt.
Es ist ein wichtiger Bestandteil der Gasriesen in unserem Sonnensystem.
Wissenschaftler erwarten, Helium in Gasriesen anderswo zu finden, aber die Suche war bisher erfolglos.
Eine bahnbrechende neue Forschung, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ist das erste Mal, dass das Gas erfolgreich auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde.
Der Exoplanet wurde erst 2017 entdeckt, umkreist seinen Wirtsstern alle sechs Tage und hat eine Oberflächentemperatur von 500°C (930°F).
Nun glaubt das Forschungsteam, dass die bahnbrechende Studie Wissenschaftlern den Weg ebnen könnte, mehr Atmosphären um erdgroße Exoplaneten in der gesamten Galaxie zu entdecken.
Helium wurde durch die Analyse des Lichtspektrums entdeckt, das durch die Atmosphäre des Planeten gelangte. Der Planet befindet sich 200 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau, hat eine ähnliche Größe wie Jupiter und hat nur 12 Prozent seiner Masse
Die Forscher nutzten eine neue Methode, die Infrarot und nicht das traditionelle Ultraviolett verwendet, um die Entdeckung zu machen.
Jessica Spake, Doktorandin der Astronomie an der Universität Exeter, sagte: ‘Wir hoffen, diese Technik zum Beispiel beim kommenden James Webb-Weltraumteleskop verwenden zu können, um herauszufinden, welche Art von Planeten große Hüllen aus Wasserstoff und Helium haben und wie lange Planeten sind können an ihrer Atmosphäre festhalten.
‘Durch die Messung von Infrarotlicht können wir weiter in den Weltraum sehen, als wenn wir ultraviolettes Licht verwenden würden.’
WASP-107b hat eine sehr geringe Dichte, ist ähnlich groß wie Jupiter, hat aber nur 12 Prozent seiner Masse.
Helium wurde durch die Analyse des Lichtspektrums entdeckt, das durch die Atmosphäre des Planeten gelangte.
WIE STUDIEREN WISSENSCHAFTLER DIE ATMOSPHÄRE VON EXOPLANETEN?
Entfernte Sterne und ihre umkreisenden Planeten haben oft Bedingungen, die anders sind als alles, was wir in unserer Atmosphäre sehen.
Um diese neuen Welten zu verstehen und woraus sie bestehen, müssen Wissenschaftler in der Lage sein zu erkennen, woraus ihre Atmosphäre besteht.
Sie tun dies oft, indem sie ein Weltraumteleskop verwenden, das dem Hubble-Teleskop der NASA ähnelt.
Diese riesigen Satelliten scannen den Himmel und erfassen Exoplaneten, von denen die NASA glaubt, dass sie von Interesse sein könnten.
Dabei führen die Sensoren an Bord unterschiedliche Analysen durch.
Eine der wichtigsten und nützlichsten ist die Absorptionsspektroskopie.
Diese Form der Analyse misst das Licht, das aus der Atmosphäre eines Planeten kommt.
Jedes Gas absorbiert eine etwas andere Lichtwellenlänge, und wenn dies geschieht, erscheint eine schwarze Linie in einem vollständigen Spektrum.
Diese Linien entsprechen einem sehr spezifischen Molekül, das seine Anwesenheit auf dem Planeten anzeigt.
Sie werden oft Fraunhofer-Linien genannt, nach dem deutschen Astronomen und Physiker, der sie 1814 erstmals entdeckte.
Durch die Kombination aller verschiedenen Wellenlängen des Lichts können Wissenschaftler alle Chemikalien bestimmen, aus denen die Atmosphäre eines Planeten besteht.
Der Schlüssel ist, dass das, was fehlt, die Hinweise liefert, um herauszufinden, was vorhanden ist.
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass dies durch Weltraumteleskope geschieht, da die Atmosphäre der Erde dann stören würde.
Die Absorption durch Chemikalien in unserer Atmosphäre würde die Probe verzerren, weshalb es wichtig ist, das Licht zu untersuchen, bevor es die Erde erreicht.
Dies wird oft verwendet, um in fremden Atmosphären nach Helium, Natrium und sogar Sauerstoff zu suchen.
Dieses Diagramm zeigt, wie Licht, das von einem Stern und durch die Atmosphäre eines Exoplaneten fällt, Fraunhofer-Linien erzeugt, die das Vorhandensein von Schlüsselverbindungen wie Natrium oder Helium anzeigen
Bei dieser Methode können Forscher anhand bestimmter nicht erkannter Wellenlängen erkennen, welche Elemente und Verbindungen vorhanden sind.
Diese Methode, die als Absorptionsspektroskopie bezeichnet wird, wird verwendet, um die Gase und Chemikalien zu finden, die sich in der Atmosphäre eines Planeten befinden.
Jedes Gas absorbiert eine etwas andere Lichtwellenlänge, und wenn dies geschieht, erscheint eine schwarze Linie in einem vollständigen Spektrum.
Diese Linien entsprechen einem ganz bestimmten Molekül, was darauf hinweist, dass es in der Atmosphäre eines Planeten vorhanden ist.
Mit dieser Methode konnten die Forscher das Vorhandensein von Helium in einem angeregten Zustand nachweisen, der aufgrund der hohen Oberflächentemperatur des Planeten mit hoher Energie geladen ist.
Der Co-Autor der Studie, Dr. Tom Evans von der University of Exeter, fügte hinzu: ‘Das von uns entdeckte Helium erstreckt sich als dünne Wolke, die den Planeten umgibt, weit in den Weltraum.
‘Wenn kleinere, erdgroße Planeten ähnliche Heliumwolken haben, bietet diese neue Technik eine aufregende Möglichkeit, ihre oberen Atmosphären in naher Zukunft zu untersuchen.’
Helium im Schweif eines Exoplaneten entdeckt
Drake Deming ist in der Abteilung für Astronomie der University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA.
Sie können auch in PubMed Google Scholar nach diesem Autor suchen
Helium ist im Universum allgegenwärtig. Beim Urknall 1 wurden große Mengen erzeugt, und fast jeder Stern beginnt sein Leben mit der Produktion von Helium in seinem Kern durch die Kernfusion von Wasserstoff. Es wird erwartet, dass die Atmosphären riesiger Exoplaneten einen Überfluss an Helium 2 aufweisen, da diese Planeten aus recyceltem Gas und Staub einer früheren Sternengeneration entstanden sind. Die Suche nach Helium in solchen Atmosphären war jedoch erfolglos 3 . In einem Papier in Natur, sprach et al. 4 berichten über die Entdeckung von Heliumatomen in der erodierenden Atmosphäre des riesigen Exoplaneten WASP-107b. Ihre Arbeit schlägt ein neues Kapitel in der Erforschung exoplanetarer Atmosphären auf.
Lesen Sie den Artikel: Helium in der erodierenden Atmosphäre eines Exoplaneten
WASP-107b ist von vergleichbarer Größe wie Jupiter, hat aber etwa ein Achtel der Masse. Die geringe Masse des Exoplaneten im Verhältnis zu seiner beträchtlichen Größe macht es dem Planeten schwer, seine Atmosphäre zu bewahren – insbesondere in Gegenwart starker ultravioletter Strahlung seines Wirtssterns. Obwohl dieser Stern kleiner und kühler als die Sonne ist, wird er von Magnetfeldern durchzogen, die vom Stern erzeugt werden. Verzerrungen dieser Felder emittieren ultraviolette Strahlung, die die Atmosphäre des Planeten mit Energie versorgt.
Speichen et al. beobachteten WASP-107b mit einer Kamera an Bord des Hubble-Weltraumteleskops und kamen zu dem Schluss, dass die Atmosphäre des Planeten entweicht und einen kometenartigen Schweif bildet (Abb. 1). Astronomen wissen seit langem, dass Riesenplaneten auf diese Weise ihre Atmosphäre verlieren können 5 , daher ist dieser Aspekt der Arbeit von Spake und Kollegen nicht überraschend. Aber die Autoren haben der Geschichte eine entscheidende Wendung hinzugefügt. Bisher wurden in erodierenden exoplanetaren Atmosphären nur Wasserstoff (der Hauptbestandteil von Riesenplaneten) und einige Elemente mit geringer Häufigkeit 6 identifiziert.
Abbildung 1 | Die Fluchtatmosphäre von WASP-107b. Während der riesige Exoplanet WASP-107b seinen Wirtsstern umkreist, energetisiert die ultraviolette Strahlung des Sterns die Atmosphäre des Planeten. Speichen et al. 4 zeigen, dass dies dazu führt, dass die Atmosphäre entweicht und einen gasförmigen Schweif bildet. In den austretenden Gasen entdeckten die Autoren Heliumatome. Dies ist das erste Mal, dass Helium in einer exoplanetaren Atmosphäre identifiziert wurde.
Atome im gasförmigen Schweif eines Exoplaneten lassen sich am leichtesten erkennen, wenn sie während eines Transits stellares Licht absorbieren – eine Passage des Planeten vor seinem Wirtsstern. Atome in einem so schwachen Schweif neigen jedoch dazu, sich in ihren niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) zu entspannen. In diesem Zustand absorbieren die meisten Atome hauptsächlich ultraviolettes Licht, und die Messung einer solchen Absorption ist aus zwei Gründen schwierig.
Erstens ist die Erdatmosphäre für das meiste ultraviolette Licht undurchlässig, was bedeutet, dass Absorptionsmessungen aus dem Weltraum durchgeführt werden müssen. Derzeit ist nur Hubble in der Lage, ultraviolette Untersuchungen exoplanetarer Atmosphären durchzuführen, und dieses Teleskop könnte im nächsten Jahrzehnt das Ende seiner Missionslebensdauer erreichen. Zweitens ist das Muster, wie viel ultraviolettes stellares Licht als Funktion der Zeit oder der Wellenlänge von Planeten im Transit absorbiert wird, tendenziell komplex. Diese Komplexität macht es schwierig, ultraviolette Messungen der Atmosphäre eines Transitplaneten zu interpretieren.
Glücklicherweise haben Heliumatome zusätzlich zum Grundzustand einen langlebigen (metastabilen) Zustand. Metastabile Heliumatome absorbieren stellares Licht im nahen Infrarot, dessen Wellenlänge nur geringfügig außerhalb der Grenzen des menschlichen Sehvermögens liegt. Messungen bei dieser Wellenlänge sind viel einfacher zu interpretieren als solche bei ultravioletten Wellenlängen.
Spake und Kollegen beobachteten einen Transit von WASP-107b und maßen die Menge des stellaren Lichts im nahen Infrarot, das als Funktion der Wellenlänge durch die erodierende Atmosphäre des Planeten übertragen wurde. Die Autoren identifizierten ein enges Absorptionsmerkmal, das sie mit metastabilen Heliumatomen in Verbindung brachten (siehe Abb. 1 des Papiers 4 ). Dieses Signal ist mehr als fünfmal stärker als jedes falsche Signal, das durch stellare Aktivität erzeugt werden könnte.
Der Nachweis von Helium in den entweichenden Atmosphären anderer Exoplaneten wird schwierig sein, da das Absorptionssignal von Natur aus schwach ist, insbesondere bei Planeten, die kleiner als WASP-107b sind. Astronomen werden sich der Herausforderung jedoch eifrig stellen. Die Nahinfrarot-Signatur von metastabilem Helium wird leicht durch die Erdatmosphäre übertragen, was bedeutet, dass erodierende exoplanetare Atmosphären mit bodengestützten Teleskopen untersucht werden könnten. Das Aufkommen einer neuen Generation extrem großer Teleskope an bodengestützten Observatorien 7 wird es Astronomen ermöglichen, die entweichende Atmosphäre von Planeten so klein wie Neptun zu untersuchen, der einen Radius hat, der viermal so groß ist wie der der Erde.
Theoretiker haben vorhergesagt, dass die Atmosphären von Exoplaneten von Neptungröße reich an Helium 8 sein könnten, aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen Wasserstoff und Helium an den Weltraum verloren gehen. Wie bei anderen Riesenplaneten wird angenommen, dass diese Körper mit Atmosphären aus überwiegend Wasserstoff, reichlich Helium und kleineren Mengen von Elementen, die schwerer als Helium sind, beginnen. Beim Entweichen ihrer Atmosphären geht Wasserstoff am schnellsten verloren, was zu einer allmählichen relativen Anreicherung des Heliumgehalts der Atmosphäre führt.
Schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff würden langsam entweichen und könnten im Prinzip in exoplanetaren Atmosphären in konzentrierten Mengen vorhanden sein. Diese schwereren Elemente sind der Schlüssel zum Verständnis sowohl der Entstehung von Planeten als auch ihrer Atmosphäre. Für planetarische Astronomen ist eine entweichende Atmosphäre, die reich an schweren Elementen ist, so etwas wie ein kosmischer Schatz, der zahlreiche wissenschaftliche Möglichkeiten bietet, die Entstehung und Evolution der Planeten zu untersuchen. Der Nachweis von Helium durch Spake und Kollegen in WASP-107b wird es Astronomen ermöglichen, nach heliumreichen Atmosphären und vielleicht auch schwereren Elementen zu suchen, wodurch ein neues Teilgebiet der Exoplanetenforschung eröffnet wird.
Natur 557, 35-36 (2018)
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Es ist ein wichtiger Bestandteil der Gasriesen in unserem Sonnensystem.
Wissenschaftler erwarten, Helium in Gasriesen anderswo zu finden, aber die Suche war bisher erfolglos.
Eine bahnbrechende neue Forschung, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ist das erste Mal, dass das Gas erfolgreich auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde.
Der Exoplanet wurde erst 2017 entdeckt, umkreist seinen Wirtsstern alle sechs Tage und hat eine Oberflächentemperatur von 500°C (930°F).
Nun glaubt das Forschungsteam, dass die bahnbrechende Studie Wissenschaftlern den Weg ebnen könnte, mehr Atmosphären um erdgroße Exoplaneten in der gesamten Galaxie zu entdecken.
Helium wurde durch die Analyse des Lichtspektrums entdeckt, das durch die Atmosphäre des Planeten gelangte. Der Planet befindet sich 200 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau, hat eine ähnliche Größe wie Jupiter und hat nur 12 Prozent seiner Masse
Die Forscher nutzten eine neue Methode, die Infrarot und nicht das traditionelle Ultraviolett verwendet, um die Entdeckung zu machen.
Jessica Spake, Doktorandin der Astronomie an der Universität Exeter, sagte: "Wir hoffen, diese Technik zum Beispiel beim kommenden James Webb-Weltraumteleskop verwenden zu können, um zu erfahren, welche Art von Planeten große Hüllen aus Wasserstoff und Helium haben und wie lange Planeten können" halten an ihrer Atmosphäre fest.
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Wissenschaftler untersuchen die Atmosphäre entfernter Exoplaneten mit riesigen Weltraumsatelliten wie Hubble
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Eine der wichtigsten und nützlichsten ist die Absorptionsspektroskopie.
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Jedes Gas absorbiert eine etwas andere Lichtwellenlänge, und wenn dies geschieht, erscheint eine schwarze Linie in einem vollständigen Spektrum.
Diese Linien entsprechen einem ganz bestimmten Molekül, das seine Anwesenheit auf dem Planeten anzeigt.
Sie werden oft Fraunhofer-Linien genannt, nach dem deutschen Astronomen und Physiker, der sie 1814 erstmals entdeckte.
Durch die Kombination aller verschiedenen Wellenlängen des Lichts können Wissenschaftler alle Chemikalien bestimmen, aus denen die Atmosphäre eines Planeten besteht.
Der Schlüssel ist, dass das, was fehlt, die Hinweise liefert, um herauszufinden, was vorhanden ist.
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass dies durch Weltraumteleskope geschieht, da die Atmosphäre der Erde dann stören würde.
Die Absorption durch Chemikalien in unserer Atmosphäre würde die Probe verzerren, weshalb es wichtig ist, das Licht zu untersuchen, bevor es die Erde erreicht.
Dies wird oft verwendet, um in fremden Atmosphären nach Helium, Natrium und sogar Sauerstoff zu suchen.
Dieses Diagramm zeigt, wie Licht, das von einem Stern und durch die Atmosphäre eines Exoplaneten fällt, Fraunhofer-Linien erzeugt, die das Vorhandensein von Schlüsselverbindungen wie Natrium oder Helium anzeigen
Bei dieser Methode können Forscher anhand bestimmter nicht erkannter Wellenlängen erkennen, welche Elemente und Verbindungen vorhanden sind.
Diese Methode, die als Absorptionsspektroskopie bezeichnet wird, wird verwendet, um Gase und Chemikalien zu finden, die sich in der Atmosphäre eines Planeten befinden.
Jedes Gas absorbiert eine etwas andere Lichtwellenlänge, und wenn dies geschieht, erscheint eine schwarze Linie in einem vollständigen Spektrum.
Diese Linien entsprechen einem ganz bestimmten Molekül, was darauf hinweist, dass es in der Atmosphäre eines Planeten vorhanden ist.
Mit dieser Methode konnten die Forscher das Vorhandensein von Helium in einem angeregten Zustand nachweisen – aufgrund der hohen Oberflächentemperatur des Planeten mit hoher Energie aufgeladen.
Der Co-Autor der Studie, Dr. Tom Evans von der University of Exeter, fügte hinzu: „Das Helium, das wir entdeckt haben, erstreckt sich als dünne Wolke, die den Planeten umgibt, weit in den Weltraum.
"Wenn kleinere, erdgroße Planeten ähnliche Heliumwolken haben, bietet diese neue Technik eine aufregende Möglichkeit, ihre oberen Atmosphären in naher Zukunft zu untersuchen."
Astronomen entdecken Heliumwolke um Exo-Neptun HAT-P-11b
Ein internationales Astronomenteam hat Helium entdeckt, das aus der oberen Atmosphäre von HAT-P-11b entweicht, einem Exoplaneten mit Neptunmasse im Sternbild Cygnus, etwa 122 Lichtjahre entfernt. Das Inertgas befindet sich in einer ausgedehnten Wolke, die aus HAT-P-11b entweicht, so wie ein Heliumballon aus der Hand einer Person entweichen könnte.
Künstlerische Darstellung des Exoplaneten HAT-P-11b mit seiner ausgedehnten Heliumatmosphäre, die vom Stern weggeblasen wird, einem orangefarbenen Zwergstern, der kleiner, aber aktiver als die Sonne ist. Bildnachweis: Denis Bajram.
HAT-P-11b wurde 2009 entdeckt und hat etwa den 4-fachen Erdradius und etwa das 26-fache der Erdmasse.
Der Riesenplanet kreist sehr nahe an seinem Wirtsstern, einem Stern vom Typ K namens HAT-P-11, und ist daher mit Temperaturen um 605 Grad Celsius unglaublich heiß.
Mit dem Carmenes-Spektrographen am 4-m-Teleskop auf dem Calar Alto in Spanien entdeckten der Astronom Romain Allart der Universität Genf und Co-Autoren Heliumatome und maßen ihre Geschwindigkeit in der oberen Atmosphäre von HAT-P-11b.
„Wir vermuteten, dass seine Nähe zum Stern die Atmosphäre des Exoplaneten beeinflussen könnte“, sagte Allart.
„Diese neuen Beobachtungen sind so präzise, dass die Atmosphäre des Exoplaneten zweifellos durch die stellare Strahlung aufgeblasen wird und in den Weltraum entweicht.“
Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Himmel auf dem Exoplaneten HAT-P-11b aussehen könnte. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech.
Die Beobachtungen werden durch eine hochmoderne Computersimulation unterstützt, mit der die Flugbahn von Heliumatomen verfolgt wird.
„Helium wird mit über 10.000 km/h von der Tagseite des Planeten auf seine Nachtseite geblasen“, sagte Dr. Vincent Bourrier, Astronom an der Universität Genf.
„Weil es ein so leichtes Gas ist, entkommt es leicht der Anziehungskraft des Planeten und bildet eine ausgedehnte Wolke um ihn herum.“
„Es ist dieses Phänomen, das HAT-P-11b so aufgeblasen macht, wie einen Heliumballon.“
„Dies ist eine wirklich aufregende Entdeckung, zumal Helium Anfang dieses Jahres zum ersten Mal nur in Exoplanetenatmosphären nachgewiesen wurde“, sagte Dr. Jessica Spake, Astronomin an der University of Exeter.
"Die Beobachtungen zeigen, dass Helium durch die Strahlung seines Wirtssterns vom Planeten weggeblasen wird."
„Hoffentlich können wir diese neue Studie nutzen, um herauszufinden, welche Arten von Planeten große Hüllen aus Wasserstoff und Helium haben und wie lange sie die Gase in ihrer Atmosphäre halten können.“
Spektroskopie und die Entdeckung von Helium
Ein völlig neues Element wurde im 19. Jahrhundert von Astronomen entdeckt, als sie das damals noch junge diagnostische Werkzeug der Spektroskopie auf die Erforschung des Kosmos anwandten. Das damals auf der Erde unbekannte Helium wurde in einem Spektrum des Sonnenlichts entdeckt.
Die beiden am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum sind die beiden leichtesten Elemente, Wasserstoff und Helium. Sie machen den größten Teil der Masse des beobachtbaren Universums aus und stellen den Beitrag aller schwereren Elemente zusammen bei weitem in den Schatten. Helium ist das zweitleichteste und zweithäufigste Element. Es macht fast ein Viertel der Masse der Sterne aus. Sterne sind in der Tat Heliumfabriken. Sie verbringen die meiste Zeit ihres Lebens damit, durch den Prozess der Kernfusion Helium aus dem Wasserstoff in ihren Kernen herzustellen. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war Helium als Element jedoch unbekannt. Entdeckt wurde es nur zufällig durch die Anwendung des neuen Werkzeugs der Spektroskopie auf die Beobachtung des Sonnenlichts, das die Aufspaltung des Lichts in seine Teilfarben ermöglicht.
Die Prinzipien der Spektroskopie in einer hilfreichen Grafik des Lund-Observatoriums skizziert. Das Licht eines Sterns wird durch ein Prisma geleitet und breitet sich im rechten Spektrum in seine Farben aus. Die dunklen Linien im Spektrum werden durch die Absorption des Lichts des Sterns bei bestimmten Wellenlängen aufgrund der Elemente in den äußeren Schichten des Sterns verursacht. Sie liefern einen Fingerabdruck, mit dem Astronomen herausfinden können, woraus ein Stern besteht. 1868 beobachtete der Astronom Jules Janssen in Indien durch ein Prisma eine Sonnenfinsternis. Er bemerkte eine leuchtend gelbe Spektrallinie, die von Sonnenvorsprüngen ausging – riesige Stürme, die von der Sonne ausbrachen. Die Linie war nicht identifiziert. Zuerst dachte man, es stamme vom chemischen Element Natrium ab, da es sich in der Nähe von zwei anderen hellen Linien dieses Elements befand. Die beiden Natriumlinien waren als D1 und D2 Fraunhofer-Linien bekannt, benannt nach ihrem Entdecker. Die unbekannte Linie wurde später in diesem Jahr vom Astronomen Norman Lockyer in einem Sonnenspektrum identifiziert und er nannte sie die D3-Fraunhofer-Linie. Er kam zu dem Schluss, dass es durch ein neues, unbekanntes Element verursacht wurde. Lockyer nannte es Helios, nach dem griechischen Wort für Sonne. Helium war damals unbekannt und wurde erst 1895 erst nach 27 Jahren auf der Erde entdeckt.
In den folgenden Jahren wurden mehrere faszinierende Eigenschaften von Helium entdeckt. Bei dem durch radioaktiven Zerfall entstandenen Alphateilchen handelt es sich um einen Heliumkern. Es ist das grundlegendste Produkt der Kernfusion in Sternen, da Protonen in Heliumkerne umgewandelt werden. Helium ist, wenn es auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, eine Flüssigkeit und hat keine Viskosität, ein Phänomen, das wir Suprafluidität nennen.
Diese Grafik stellt das breite Anwendungsspektrum von Helium in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen dar. Bildnachweis: USGS Helium wird heute in einer Vielzahl wichtiger industrieller Anwendungen eingesetzt. Am bekanntesten ist der Flug, bei dem Heliumgas (das weniger dicht als Luft ist) auf natürliche Weise Luftschiffen und Ballons Auftrieb verleiht. Aufgrund seines niedrigen Siedepunkts wird Helium häufig in kryogenen Anwendungen verwendet. Flüssiges Helium dient als Kühlmittel für supraleitende „Magnetresonanztomographen“ (MRT) für die medizinische Diagnostik.
Helium im Exoplaneten ‘Tail’ entdeckt
Wissenschaftler sagen seit einiger Zeit, dass Helium in den Atmosphären von Gasriesenplaneten leicht nachweisbar sein sollte – schließlich ist dies das zweithäufigste Element im Universum, und wir wissen, dass es bei Jupiter und Saturn reichlich vorhanden ist. Das Problem war, wie man es erkennt, ein Problem, das die Geschichte von heute Morgen deutlich macht. An der University of Exeter (UK) hat Jessica Spake Daten der Wide Field Camera 3 des Hubble-Teleskops sinnvoll genutzt und eine Fülle von Helium in der oberen Atmosphäre gefunden. Der fragliche Planet ist der geschwollene WASP-107b, und dies ist der erste Heliumnachweis des Inertgases auf einem Exoplaneten.
Etwa 200 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau zeigt WASP-107b wenig Ähnlichkeit mit irgendetwas in unserem eigenen Sonnensystem. Er wurde 2017 entdeckt und ist einer der Planeten mit der niedrigsten Dichte, die bisher gefunden wurden, eine Welt, die, obwohl sie ungefähr die gleiche Größe wie Jupiter hat, nur 12 Prozent ihrer Masse hat. In einer engen sechstägigen Umlaufbahn um seinen Primärkreis der K-Klasse hat der Planet eine Atmosphäre, die sich anscheinend — nach der Menge an Helium, die Spake und sein Team gefunden haben, um Zehntausende von Kilometern in den Weltraum erstreckt.
Bild: Der Exoplanet WASP-107b ist ein Gasriese, der einen hochaktiven Hauptreihenstern vom K-Typ umkreist. Der Stern ist etwa 200 Lichtjahre von der Erde entfernt. Mithilfe von Spektroskopie konnten Wissenschaftler Helium in der entweichenden Atmosphäre des Planeten finden – der erste Nachweis dieses Elements in der Atmosphäre eines Exoplaneten. Quelle: ESA/Hubble, NASA, M. Kornmesser.
Es ist keine Überraschung, hier Helium zu finden, aber die Geschichte ist aufgrund der verwendeten Nachweismethoden interessant. Wir analysieren die Atmosphären von Exoplaneten, wenn eine Welt im Transit von der Erde aus gesehen vor ihrem Stern vorbeizieht und spektrale Beweise für die einzelnen Elemente hinterlassen. Eine solche Transmissionsspektroskopie hat die Untersuchung anderer ausgedehnter Atmosphären ermöglicht, die bei ultravioletten und sichtbaren Wellenlängen arbeiten. Das Team von Spake verrichtete seine Arbeit im Infraroten.
„Das starke Signal von Helium, das wir gemessen haben, demonstriert eine neue Technik zur Untersuchung der oberen Schichten der Atmosphären von Exoplaneten in einem größeren Bereich von Planeten“, sagt Spake. „Aktuelle Methoden, die ultraviolettes Licht verwenden, sind auf die nächstgelegenen Exoplaneten beschränkt. Wir wissen, dass in der oberen Atmosphäre der Erde Helium vorhanden ist, und diese neue Technik könnte uns helfen, Atmosphären um erdgroße Exoplaneten zu erkennen – was mit der aktuellen Technologie sehr schwierig ist.“
Die geringe Masse von WASP-107b im Verhältnis zu seiner Größe macht die Beibehaltung seiner Atmosphäre zu einem Problem. Die ausgedehnte Atmosphäre des Planeten nimmt allmählich ab, mit ca
0,1-4% seiner Gesamtmasse verschwinden alle Milliarde Jahre. Verstärkt wird der Effekt durch die stellare Aktivität des Wirtssterns, Strahlung, die von der Atmosphäre absorbiert wird, wodurch er sich noch weiter erwärmt. Wie Drake Deming in einem Artikel bemerkt, der in derselben Ausgabe von . erscheint Natur Wie beim Spake-Papier wird der Primärstern von Magnetfeldern zerrissen, die einen starken ultravioletten Fluss erzeugen.
Das Ergebnis ist ein gasförmiger Schweif, in dem die Autoren Heliumatome nachgewiesen haben. Die Detektionsprobleme sind komplex, denn Atome in einem ausgedehnten Schweif wie diesem neigen dazu, in ihren Grundzustand zu relaxieren und ultraviolettes Licht zu absorbieren, und diese Absorption als Funktion von Zeit oder Wellenlänge, sagt Deming, kann komplex sein. Die Arbeit von Spake nutzt die Tatsache, dass sich Heliumatome auch in einem metastabilen Zustand befinden, der stellares Licht im nahen Infrarot absorbieren kann, und Messungen bei diesen Wellenlängen sind einfacher zu interpretieren. Dies ist auch nützlich, da die Erdatmosphäre zwar für ultraviolettes Licht undurchlässig ist, bodengestützte Teleskope jedoch das Nahinfrarotsignal von Helium sehen können.
Spake arbeitete mit Hubble-Daten, aber diese Art von Analyse könnte vor Ort verfügbar werden. Unsere nächste Generation extrem großer Teleskope sollte in der Lage sein, aus der Atmosphäre anderer Exoplaneten zu entkommen. Wir würden erwarten, dass Helium auf Planeten der Neptun-Klasse bestehen bleibt, bei denen leichterer Wasserstoff bereits entwichen ist, aber die Fluchtraten können auch hilfreich sein, wenn es um andere Aspekte der Zusammensetzung von Exoplaneten geht. Wieder wende ich mich Deming zu:
Schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff würden langsam entweichen und könnten im Prinzip in exoplanetaren Atmosphären in konzentrierten Mengen vorhanden sein. Diese schwereren Elemente sind der Schlüssel zum Verständnis sowohl der Entstehung von Planeten als auch ihrer Atmosphäre. Für planetarische Astronomen ist eine entweichende Atmosphäre, die reich an schweren Elementen ist, so etwas wie ein kosmischer Schatz, der zahlreiche wissenschaftliche Möglichkeiten bietet, die Entstehung und Evolution der Planeten zu untersuchen. Der Nachweis von Helium durch Spake und Kollegen in WASP-107b wird es Astronomen ermöglichen, nach heliumreichen Atmosphären und vielleicht auch schwereren Elementen zu suchen, wodurch ein neues Teilgebiet der Exoplanetenforschung eröffnet wird.
Das Papier ist Spake et al., "Helium in der erodierenden Atmosphäre eines Exoplaneten", Natur 557 (02. Mai 2018), 68-70 (Auszug).
Kommentare zu diesem Eintrag sind geschlossen.
Stickstoff ist ziemlich "scheu", wenn es darum geht, seine Anwesenheit in Spektrogrammen zu zeigen (sehen Sie sich an, wie viele Jahrzehnte Titan nur eine dünne Methanatmosphäre hatte, bis Pioneer 11 und die Voyagers seine Stickstoffatmosphäre fanden, die dicker als die Erde ist, in wobei sich herausstellte, dass das Methan ein ziemlich untergeordneter Bestandteil war). Wenn Helium auch nicht mutig ist, sich zu offenbaren (wenn auch nicht im gleichen Maße wie Stickstoff), ist es möglich, dass einige Welten, insbesondere solche, in denen andere atmosphärische Bestandteile die spektralen Signaturen von Helium überwiegen, heliumfrei erscheinen ( oder heliumarm) aus der Ferne.
"Diese neue Technik könnte uns helfen, Atmosphären um erdgroße Exoplaneten zu erkennen - was mit der derzeitigen Technologie sehr schwierig ist.&8221 Ich glaube, dass NUR angeregtes metastabiles Helium bei 10830 Angström nachweisbar ist. Ich habe JETZT ABSOLUT IDEE, was das bedeutet, also nahm ich an, dass der “erregte” Teil von HOHER BESTRAHLUNG kommen würde. Wenn dies richtig ist, sind NUR erdgroße Exoplaneten wie TRAPPIST-1b brauchbare Kandidaten. Daher hoffe ich, dass dies NICHT richtig ist. Kommentare, jemand? AUCH: Das Signal, das sie entdeckten, lag bei 10.833 Angström, NICHT bei 10830! Könnte dies daran liegen, dass das Spektrum leicht REDSHIFTED ist?
Apropos TRAPPIST-1b: TRAPPIST-1 wird WIEDER im Feld Kepler K2 Kampagne 19 beobachtet. Der einzige Nachteil dabei ist, dass dies WAHRSCHEINLICH eine ABKÜRZTE (d. h. NICHT das ÜBLICHE) sein wird
80 Tage) Beobachtungslauf wegen des SEHR NIEDRIGEN RESERVOIR von Triebwerkstreibstoff übrig.
Niederländische Astronomen fotografieren zufällig einen möglichen Kleinkindplaneten
Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung niederländischer Forscher der Universität Leiden hat zufällig einen kleinen Begleiter um den jungen Doppelstern CS Cha gefunden. Die Astronomen untersuchten die Staubscheibe des Doppelsterns, während sie über den Begleiter stolperten. Die Forscher vermuten, dass es sich um einen Planeten im Kleinkindalter handelt, der noch wächst.
Die Astronomen verwendeten das SPHERE-Instrument am European Very Large Telescope in Chile. Sie werden ihre Ergebnisse in Kürze in einem Artikel veröffentlichen, der von der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics akzeptiert wird.
Titel der Forschungsbox
Astronomen haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA Helium in der Atmosphäre des Exoplaneten WASP-107b entdeckt. Dies ist das erste Mal, dass dieses Element in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb des Sonnensystems nachgewiesen wurde. The discovery demonstrates the ability to use infrared spectra to study exoplanet extended atmospheres.
The international team of astronomers, led by Jessica Spake, a PhD student at the University of Exeter in the UK, used Hubble's Wide Field Camera 3 to discover helium in the atmosphere of the exoplanet WASP-107b. This is the first detection of its kind.
Spake explained the importance of the discovery: "Helium is the second-most common element in the universe after hydrogen. It is also one of the main constituents of the planets Jupiter and Saturn in our solar system. However, up until now helium had not been detected on exoplanets — despite searches for it."
The team made the detection by analyzing the infrared spectrum of the atmosphere of WASP-107b. Previous detections of extended exoplanet atmospheres have been made by studying the spectrum at ultraviolet and optical wavelengths this detection therefore demonstrates that exoplanet atmospheres can also be studied at longer wavelengths.
The measurement of an exoplanet's atmosphere is performed when the planet passes in front of its host star. A tiny portion of the star's light passes through the exoplanet's atmosphere, leaving detectable fingerprints in the spectrum of the star. The larger the amount of an element present in the atmosphere, the easier the detection becomes.
"The strong signal from helium we measured demonstrates a new technique to study upper layers of exoplanet atmospheres in a wider range of planets," said Spake. "Current methods, which use ultraviolet light, are limited to the closest exoplanets. We know there is helium in the Earth's upper atmosphere and this new technique may help us to detect atmospheres around Earth-sized exoplanets — which is very difficult with current technology."
WASP-107b is one of the lowest density planets known: While the planet is about the same size as Jupiter, it has only 12 percent of Jupiter's mass. The exoplanet is about 200 light-years from Earth and takes less than six days to orbit its host star.
The amount of helium detected in the atmosphere of WASP-107b is so large that its upper atmosphere must extend tens of thousands of miles out into space. This also makes it the first time that an extended atmosphere has been discovered at infrared wavelengths.
Since its atmosphere is so extended, the planet is losing a significant amount of its atmospheric gases into space — between about 0.1 percent to 4 percent of its atmosphere's total mass every billion years.
Stellar radiation has a significant effect on the rate at which a planet's atmosphere escapes. The star WASP-107 is highly active, supporting the atmospheric loss. As the atmosphere absorbs radiation it heats up, so the gas rapidly expands and escapes more quickly into space.
As far back as the year 2000, it was predicted that helium would be one of the most readily-detectable gases on giant exoplanets, but until now, searches were unsuccessful.
David Sing, co-author of the study also from the University of Exeter, concluded: "Our new method, along with future telescopes such as NASA's James Webb Space Telescope, will allow us to analyze atmospheres of exoplanets in far greater detail than ever before."
The team's study appears on May 2, 2018, in the online issue of science journal Nature.
The international team of astronomers in this study consists of J. Spake (University of Exeter, Exeter, UK), D. Sing (University of Exeter, Exeter, UK Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland), T. Evans (University of Exeter, UK), A. Oklopčić (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts), V. Bourrier (University Geneva Observatory, Sauverny, Switzerland), L. Kreidberg (Harvard Society of Fellows and Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts), B. Rackham (University of Arizona, Tucson, Arizona), J. Irwin (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts), D. Ehrenreich and A. Wyttenbach (University of Geneva Observatory, Sauverny, Switzerland), H. Wakeford (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland), Y. Zhou (University of Arizona, Tucson, Arizona), K. Chubb (University College London, London, UK), N. Nikolov and J. Goyal (University of Exeter, Exeter, UK), G. Henry and M. Williamson (Tennessee State University, Nashville, Tennessee), S. Blumenthal (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland), D. Anderson and C. Hellier (Keele University, Staffordshire, UK), D. Charbonneau (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts), S. Udry (University of Geneva Observatory, Sauverny, Switzerland), and N. Madhusudhan (University of Cambridge, Cambridge, UK).
Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (European Space Agency). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, führt Hubble-Forschungsoperationen durch. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.
Credits:ESA/Hubble, NASA, and M. Kornmesser Science: NASA, ESA, and J. Spake (University of Exeter)
Helium Discovered in Atmosphere of an Exoplanet for the First Time
For the first time, astronomers have detected the element helium in the atmosphere of a planet outside our Solar System, according to a new study published in the journal Natur.
Helium is the second most abundant element in the universe after hydrogen and is one of the main constituents of the gas giants Jupiter and Saturn.
Due to its ubiquity, scientists have long-thought that helium should be easily detectable in larger exoplanets&mdashplanets which orbit stars outside the Solar System&mdashhowever, more than a decade of searching for the gas in the atmospheres of these distant worlds has proven unsuccessful, until now.
Using the Hubble Space Telescope, an international team of astronomers unexpectedly detected the element on WASP-107b&mdasha strange, Jupiter-sized exoplanet located around 200 light-years from Earth with one of the lowest known densities (it only has 12% of Jupiter's mass).
The team were actually looking for methane but analysis of infrared light coming from the atmosphere of WASP-107b showed that the planet's atmosphere was filled with helium. Furthermore, the scientists found that the planet's upper atmosphere extends tens of thousands of miles into space as a result of its weak gravitational pull. It is also slowly eroding due to significant amounts of gas being lost.
The latest findings demonstrate the effectiveness of using infrared detection methods to study the atmosphere of exoplanets. Previously, scientists have relied on techniques that use ultraviolet and optical wavelengths, which have their limitations.
"The strong signal from helium we measured demonstrates a new technique to study upper layers of exoplanet atmospheres in a wider range of planets," Jessica Spake, lead author of the study from the University of Exeter in the U.K, said in a statement.
"Current methods, which use ultraviolet light, are limited to the closest exoplanets. We know there is helium in the Earth's upper atmosphere and this new technique may help us to detect atmospheres around Earth-sized exoplanets&mdashwhich is very difficult with current technology."
The team's new method of detection&mdashalongside upcoming observation missions such as the James Webb Space Telescope&mdashwill enable researchers to examine the atmosphere of exoplanets in far greater detail than ever before, a factor which could have important implications in the search for life beyond our planet.
Extended Data Fig. 1 G102 white-light curve and broadband spectroscopic light curves covering the wavelength range 0.88–1.14 μm for WASP-107b.
ein, Relative flux of the white-light curve with respect to systematics model results (blue points), with the best-fitting transit light curve plotted in black. b, White-light residuals and 1σ errors, after removing the combined transit and systematics components of the best-fitting model. c, Points are spectroscopic light curves divided by systematics model results, and black curves are best-fitting transit models, with vertical offsets applied for clarity. d, Best-fitting spectroscopic model residuals, with vertical offsets applied for clarity. Differently coloured points in c und d are used to highlight separate channels.
Extended Data Fig. 2 Narrowband (four-pixel-wide) spectroscopic light curves covering the wavelength range 1.06–1.12 μm.
ein, Points are light curves divided by systematics model results, black curves are best-fitting transit models. b, Best-fitting model residuals, with vertical offsets applied for clarity. Differently coloured points correspond to different channels. The five non-overlapping channels used to measure the 10,833-Å line absorption are highlighted in blue.
Extended Data Fig. 3 Ground-based photometry for WASP-107 from MEarth.
We performed a Lomb–Scargle periodogram search and found a best-fitting period of 19.7 ± 0.9 days (dashed red line), with a relative amplitude of about 0.15%. Solid red lines show the results of the best-fitting sinusoidal model.
Extended Data Fig. 4 Ground-based photometry for WASP-107b from AIT.
ein, Nightly photometric observations of WASP-107, acquired with Tennessee State University’s C14 AIT at the Fairborn Observatory during the 2017 observing season. The number of observations (Nobs) was 120. ΔR is the relative flux in the Cousins R band. b, The frequency spectrum of the 2017 observations shows low-amplitude variability with a period (P) of 8.675 days (a frequency, f, of 0.115 cycles per day). c, The data phased to the 8.675-day period have a peak-to-peak amplitude of only 0.005 mag. HJD, heliocentric Julian Date UCT, coordinated universal time c/d, cycles per day Tmin, best-fit ephemeris.
Extended Data Fig. 5 Equivalent widths of helium 5,876-Å and 10,830-Å lines.
ein, Measurements for 30 stars of different colour indices with 1σ errors from a previous work 60 . The two helium lines are expected to form in the same stellar-atmosphere regions and their equivalent widths are clearly correlated. Our 5,876-Å line measurement for WASP-107 (colour index B–V > 0.7), obtained from HARPS spectra, is plotted as a red line and the red-shaded region shows the 1σ error. b, Co-added spectra of WASP-107b around the 5,876-Å line of metastable helium from the HARPS radial-velocity campaign (blue line). Absorption lines are fitted with Gaussian profiles, and the best-fit results are shown as green, yellow and red lines, with the sum of the profiles shown in black. The best-fitting line profile of the 5,876-Å line is shaded in grey.
Extended Data Fig. 6 Effects of an inhomogeneous photosphere on the transmission spectrum of WASP-107b.
Lines show the stellar contamination produced by unocculted spots and faculae. Shaded regions indicate the 1σ uncertainty on the stellar contamination due to the uncertainty on spot- and faculae-covering fractions. ein, The region around the 10,830-Å (air wavelength) helium triplet at the resolution of the PHOENIX spectra (resolving power, R = 500,000). (b) The full G102 wavelength range in 15-Å bins.
