Wie wird die Zusammensetzung und Atmosphäre von Planeten von Wissenschaftlern bestimmt?

Wissenschaftler bestimmen die Zusammensetzung und Atmosphäre anderer Planeten, indem sie das Licht messen, das durch seine Atmosphäre gefiltert wird. Mithilfe eines Spektrometers können Astronomen die Lichtabsorption jedes bekannten Elements messen und diese als Standardskala verwenden, um zu bestimmen, welche Elemente in der Atmosphäre vorhanden sind.

Es scheint, als wäre die Populärkultur voller neuer Nachrichten über Weltraumentdeckungen und einer Faszination, andere „erdähnliche“ Planeten zu finden. Wenn man jedoch bedenkt, dass wir nur auf der Oberfläche von zwei anderen Planeten in unserem eigenen Sonnensystem waren (den Mond nicht mitgerechnet), scheinen wir sehr zuversichtlich zu sein, was die Zusammensetzung vieler anderer Planeten und Monde in unserem Sonnensystem und darüber hinaus angeht.

Vermuten Wissenschaftler nur, wenn sie einen Planeten als potenziell bewohnbar bezeichnen? Wie können sie möglicherweise die Zusammensetzung und Atmosphäre von Planeten bestimmen, die Millionen oder Milliarden Meilen entfernt sind?

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Die Zusammensetzung eines Planeten kann bestimmt werden durch …

Vor hundert Jahren sah das in der Astronomie ganz anders aus. Unsere Berechnungen von Geschwindigkeit, Größe, Zusammensetzung und Atmosphäre entfernter Planeten waren kaum mehr als eine Vermutung, aber unsere Fähigkeiten haben sich im vergangenen Jahrhundert unglaublich verbessert. Wenn wir unser eigenes Sonnensystem betrachten, können wir eine sehr fundierte Vermutung über die Zusammensetzung eines Planeten anstellen, weil sie der Erde so nahe sind. Bei einigen Planeten, wie Mars und Venus, waren wir physisch an der Oberfläche und haben festgestellt, woraus sie bestehen, aber wir haben die Oberfläche vieler unserer anderen Nachbarn im Sonnensystem nicht besucht.

Wir kennen jedoch die Zusammensetzung und Größe der Erde, insbesondere ihre Dichte, sodass wir dieselben Informationen im Vergleich zu anderen Planeten anwenden können. Wenn wir einen erdgroßen Planeten finden, der die gleiche Dichte hat, dann können wir davon ausgehen, dass sie aus ähnlichen Komponenten bestehen (Silikatgestein, das einen Eisen- und Nickelkern umgibt). Wenn ein Stern viel massereicher, aber weniger dicht ist, dann ist er eher ein Gasriese (z. B. Jupiter, Saturn, Uranus) und besteht wahrscheinlich aus leichteren Elementen wie Wasserstoff und Helium, die einen felsigen oder geschmolzenen Metallkern umgeben .

Die Bestimmung der Dichte eines Planeten ist jedoch eine weitere knifflige Frage, da wir die Masse und das Volumen des Planeten kennen müssen. Basierend auf dem, was wir über Umlaufbahnen und die Newtonschen Gesetze der Physik gelernt haben, können wir die Masse eines Planeten anhand der Wirkung berechnen, die er auf seinen Mutterstern hat. Wenn ein Planet einen Stern umkreist, gibt es eine winzige Anziehungskraft auf den Stern, die durch die Masse der Bewegung des Planeten verursacht wird. Dieses Wackeln ist darauf zurückzuführen, dass der Planet an dem Stern zieht und seine Geschwindigkeit leicht verändert; Diese Geschwindigkeitsänderungen können uns die Masse des planetaren Objekts mit extremer Genauigkeit sagen, basierend auf unserem Wissen über Rotverschiebungs- und Blauverschiebungsphänomene, die allgemein als Doppler-Effekt bekannt sind (Erfahren Sie hier mehr über den Doppler-Effekt).

Rot-Blau-Verschiebungsdiagramm (Bildnachweis: wired.com)

Volumen ist jedoch eine etwas weniger genaue Wissenschaft. Indem wir Finsternisse beobachten (wenn ein Planet vor einem Stern vorbeizieht) oder einen Mond, der vor einem Planeten vorbeizieht, können wir die durch diese Überquerung verursachte Lichtabschwächung erkennen. Wenn ein Planet vor einem Stern vorbeizieht, verdeckt er einen bestimmten Teil der Sternoberfläche, der gemessen werden kann, und ein Durchmesser kann festgestellt werden. Sobald ein Durchmesser berechnet ist und die Form einer Kugel angenommen wird, kann das Volumen einigermaßen genau gemessen werden.

Mit Volumen und Masse kann die Dichte berechnet werden, was uns eine Vorstellung davon gibt, um welche „Art“ eines Planeten es sich handelt (felsig, geschmolzen, erdähnlich, Gasriese oder etwas ganz anderes). Basierend auf dieser Messung können wir fundierte Vermutungen über die Art der Elemente anstellen, die auf der Oberfläche gefunden würden.

Atmosphäre des Planeten

Die Bestimmung der atmosphärischen Zusammensetzung eines Planeten scheint schwieriger zu sein, ist aber tatsächlich wunderbar einfach. Wann immer Licht von einem Objekt beobachtet wird, kann dieses Licht gemessen werden, um festzustellen, was „herausgefiltert“ wurde. Wenn wir zum Beispiel einen fernen Planeten beobachten, können wir das Sternenlicht erkennen, das durch seine Atmosphäre dringt. Nun absorbieren verschiedene Elemente Licht, anstatt es durchzulassen, aber sie absorbieren nur bestimmte Teile des Lichtspektrums. Dadurch wird eine „Lichtsignatur“ erzeugt.

Beispiele für Lichtsignaturen (Bildnachweis: visionlearning.com)

Mit einem Instrument namens Spektrometer können Astronomen das Licht messen, das sie durch die Atmosphäre erfassen, und dann dieses Spektrum ausbreiten, das am Ende wie ein Strichcode aussieht. Diese „fehlenden“ Teile des Lichtspektrums sagen uns genau, welche Elemente in der Atmosphäre vorhanden sind, da wir die Lichtabsorption jedes bekannten Elements gemessen haben und dies als Standardskala verwenden können.

Wenn wir uns beispielsweise ein von der Erde kommendes Lichtspektrum ansehen würden, würden dem „Barcode“ die Frequenzen fehlen, die mit Stickstoff, Sauerstoff und Argon korrelieren, da diese die Erdatmosphäre ausmachen (78%, 21% und 1%, bzw.). Diese Messwerte des Lichtspektrums geben uns Zugang zu den Fingerabdrücken des Universums, und unsere Fähigkeit, diese Messungen zu lesen und zu verstehen, wird immer besser.

Tatsächlich messen bestimmte Spektrometer nicht einmal sichtbares Licht, Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums (Mikrowellen und Röntgenstrahlen). Diese Messungen folgen jedoch der gleichen Idee und können uns viel über die elementare Zusammensetzung von Objekten aus dem ganzen Universum sagen!

Vorgeschlagene Literatur