Virtuelle Labore bieten neue Perspektiven für die Entstehung von Exoplaneten und ihren Atmosphären
Virtuelle Labore sind enorm wichtig für die Simulation unerforschter physikalisch-chemischer Umgebungen, insbesondere für die Untersuchung von planetenbildenden Scheiben und der Atmosphären von Exoplaneten. Mit Unterstützung der Marie-Sklodowska-Curie-Maßnahmen hat das Projektteam von CHAMELEON erfolgreich solche Plattformen entwickelt, um aktuelle und zukünftige Beobachtungen von protoplanetaren Scheiben und Exoplaneten gründlich zu analysieren.
Virtuelle Labore helfen, Lücken in Beobachtungsdaten zu schließen
„Virtuelle Labore tragen dazu bei, die manchmal inkonsistenten oder unvollständigen Beobachtungsdaten durch die Integration verschiedener theoretischer Modelle und fortgeschrittener Berechnungsmethoden zu überwinden“, kommentiert Projektkoordinatorin Ruth-Sophie Taubner. Mit diesen hochmodernen Instrumenten, die Erkenntnisse aus zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen wie Astrophysik, computergestützte Chemie, Physik, Geowissenschaften und Mathematik einbeziehen, können Forschende komplexe physikalische und chemische Prozesse simulieren und analysieren. CHAMELEON verfeinerte thermochemische Modelle protoplanetarer Scheiben, um die Bedingungen, welche die Planetenbildung beeinflussen, besser zu verstehen und diese Modelle mit Beobachtungsdaten zu verknüpfen. „Wir haben die Modelle für exoplanetare Atmosphären verstärkt, indem wir die Bestrahlung des Wirtssterns, die Wolkenbildung, Blitze und Ladungsprozesse berücksichtigt haben, um die Datennutzung durch das James-Webb-Weltraumteleskop und zukünftige Missionen zu maximieren“, bemerkt Taubner. Die Forschenden nutzten außerdem theoretische Modelle als virtuelle Labore, um die entstehenden Spektren vorherzusagen und verglichen diese Vorhersagen mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops und des James-Webb-Weltraumteleskops.
Neue Instrumente und Verfahren des maschinellen Lernens bringen die Exoplanetenforschung voran
„Wir haben die chemischen Raten-Netzwerke in Modellen für planetare Scheiben erweitert, um die größenabhängige Staubaufladung und die Produktion größerer Kohlenwasserstoffmoleküle einzubeziehen, indem wir auf maschinellem Lernen basierende Bayessche Abfragen zur Analyse von Beobachtungsdaten verwendet haben“, so Taubner. „Wir untersuchen die atmosphärische Zusammensetzung sowohl von alten (mehr als 1 Milliarde Jahre), die von ihren Wirtssternen bestrahlt werden, als auch von jüngeren, selbstleuchtenden Exoplaneten.“ Ein bemerkenswerter Erfolg war die atmosphärische 3D-Simulation des warmen extrasolaren Saturns HATS-6b, bei der die Wolken- und Chemieverteilung vorhergesagt wurde. Durch virtuelle Labore gelang die umfassende Modellierung physikalischer Prozesse, während neue Instrumente zur Simulation synthetischer Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops, z. B. von Mini-Neptunen, erschlossen wurden. In quantenchemischen Simulationen wurde die Bildung und Stabilität von Metalloxid-Clustern in den Atmosphären heißer Exoplaneten untersucht, was unser Verständnis dieser exotischen Umgebungen verbessert.
Glänzende Zukunft für die Exoplanetenforschung
CHAMELEON hat die Exoplanetenforschung durch die Ausbildung von 15 Promovierenden und die Veröffentlichung von mehr als 140 Arbeiten vorangebracht – das Vierfache der durchschnittlichen Leistung früherer innovativer Marie-Curie-Ausbildungsnetze in der Physik. Darunter waren 28 Arbeiten, die von Studierenden verfasst wurden, und mehr als 40 Arbeiten befassten sich mit Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops. Das Projektteam hat neue Ansätze und Erkenntnisse eingeführt und den Weg für künftige wissenschaftliche Untersuchungen und Karrierewege für seine Nachwuchsforschenden geebnet, Indem es herkömmliche Denkweisen infrage stellte. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Computerplattform erstellt, mit der Exoplaneten und ihre Entstehungsumgebungen auf verschiedenen Komplexitätsebenen untersucht werden können, indem Beobachtungsdaten mit modernsten Simulationen kombiniert werden.
Kunst und Astrophysik miteinander verknüpfen
Anlässlich des erfolgreichen Abschlusses von CHAMELEON wurde an der Universität Kopenhagen eine Abschlusskonferenz organisiert, an der Forschende aus verschiedenen Bereichen wie Exoplaneten, Scheibenentwicklung, exotisches Leben und die Zukunft des Lebens und der Menschheit teilnahmen. Die vom Copenhagen Center for ExoLife Sciences mitgetragene Veranstaltung unterstrich die Erkenntnisse des Netzwerks über die chemische Vielfalt in planetenbildenden Scheiben und Atmosphären von Exoplaneten. Diese Zusammenkunft diente zudem als Plattform für die Planung künftiger Kooperationen und Projekte über den Finanzierungszeitraum hinaus. Parallel dazu fand eine Kunstausstellung mit dem Titel „Exploring Exoplanets“ statt, in der die Initiative „Arts, Education and Science Outreach“ des CHAMELEON-Netzwerks vorgestellt wurde. Diese Ausstellung verschmolz Kunst und Wissenschaft und verdeutlichte die kreative Schnittmenge von Astrophysik und künstlerischem Ausdruck.
Schlüsselbegriffe
CHAMELEON, Exoplanet, virtuelle Labore, planetenbildende Scheiben, Atmosphären, MINKT