30 mei 2024

Webb-data wijzen op mogelijke atmosfeer rond rotsachtige exoplaneet

Astronomen hebben met de James Webb Space Telescope mogelijk atmosferische gassen ontdekt rond 55 Cancri e, een hete rotsachtige exoplaneet die 41 lichtjaar van de aarde is verwijderd. Dit is het beste bewijs tot nu toe voor het bestaan van een atmosfeer van een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel. Gas dat opborrelt uit een met lava bedekt oppervlak op 55 Cancri e voedt mogelijk een atmosfeer die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide. De onderzoekers, onder wie astronomen van de Sterewacht Leiden en SRON, publiceren hun bevindingen deze week in Nature.

Artistieke weergave van exoplaneet 55 Cancri e/Janssen. Credit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Wetenschappers hebben de afgelopen twintig jaar tekenen van een atmosfeer gevonden rond tientallen exoplaneten, planeten rond andere sterren dan onze zon. Al die planeten hebben een dikke, door waterstof gedomineerde atmosfeer die relatief eenvoudig is te bestuderen. De veel dunnere gasmantels – vergelijkbaar met de atmosfeer van de aarde – die vrijwel zeker sommige kleine, rotsachtige exoplaneten omgeven, zijn veel moeilijker te traceren. De onderzoekers denken nu eindelijk een glimp te hebben opgevangen van een vluchtige atmosfeer die een rotsachtige exoplaneet omringt.

Hoofdauteur Renyu Hu van NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Californië, VS: “Webb verlegt de grenzen van de karakterisering van exoplaneten naar rotsachtige planeten,” zegt Hu. “Het maakt echt een nieuw soort wetenschap mogelijk.”

Superhete superaarde 55 Cancri e
55 Cancri e, ook bekend als Janssen, is een van de vijf bekende planeten die rond de zonachtige ster 55 Cancri draaien, in het sterrenbeeld Kreeft. Met een diameter die bijna twee keer zo groot is als die van de aarde en een dichtheid die iets groter is, wordt de planeet geclassificeerd als een superaarde: groter dan de aarde, kleiner dan Neptunus en waarschijnlijk qua samenstelling vergelijkbaar met de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel. 55 Cancri e kreeg de naam Janssen in 2015 van de Internationale Astronomische Unie op voordracht van de KNVWS. Janssen is de Nederlandse mede-uitvinder van de telescoop.

Janssen omschrijven als “rotsachtig” zou echter de verkeerde indruk kunnen wekken. De planeet draait zo dicht om zijn ster (een vijfentwintigste van de afstand tussen de planeet Mercurius en de zon) dat zijn oppervlak waarschijnlijk gesmolten is – een borrelende oceaan van magma. Met zo’n nauwe omloopbaan is de planeet waarschijnlijk ook rotatiegesynchroniseerd (tidally locked in het Engels), met een dagkant die altijd naar de ster is gericht en een nachtkant in eeuwige duisternis, net zoals onze maan altijd met dezelfde kant naar de aarde toe is gericht.

Ondanks talloze waarnemingen sinds de ontdekking van de planeet in 2011, is de vraag onbeantwoord gebleven of Janssen wel of geen atmosfeer heeft – of er zelfs een zou kúnnen hebben -, gezien de hoge temperatuur en het voortdurende bombardement van straling en zonnewind.

“Het grootste deel van mijn onderzoek is gericht op het ontrafelen van de dubbelzinnige aard van deze planeet”, zegt coauteur Mantas Zilinskas, postdoc bij het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON). “Met Webb kunnen we eindelijk de atmosferen en samenstellingen van superaardes in ongekend detail bestuderen.”

In tegenstelling tot de atmosferen van gasreuzenplaneten, die relatief eenvoudig te ontdekken zijn (de eerste werd meer dan twintig jaar geleden ontdekt door de Hubble ruimtetelescoop), zijn de dunnere en dichtere atmosferen rond rotsachtige planeten nog steeds ongrijpbaar.

Eerdere studies van 55 Cancri e met gegevens van NASA’s nu gepensioneerde Spitzer Space Telescope suggereerden de aanwezigheid van een substantiële atmosfeer die rijk is aan vluchtige stoffen (moleculen die in gasvorm op aarde voorkomen) zoals zuurstof, stikstof en kooldioxide. Maar onderzoekers konden een andere mogelijkheid niet uitsluiten: dat de planeet kaal is, op een dun laagje verdampt gesteente na dat rijk is aan elementen als silicium, ijzer, aluminium en calcium. “De planeet is zo heet dat een deel van het gesmolten gesteente zou moeten verdampen”, aldus Hu.

Artistieke afbeelding toont 55 Cancri e. Credits; NASA/JPL-Caltech

Subtiele variaties in het infrarood
Om onderscheid te kunnen maken tussen de twee mogelijkheden, gebruikte het team Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) en MIRI (Mid-Infrared Instrument) om het infrarode licht van 4 tot 12 micron dat van de planeet komt te meten.

Hoewel Webb geen direct beeld van 55 Cancri e kan vastleggen, kan het subtiele veranderingen in het licht van het systeem meten wanneer de planeet rond zijn ster draait. Door de helderheid tijdens de secundaire eclips, wanneer de planeet achter de ster staat (alleen sterlicht), af te trekken van de helderheid wanneer de planeet vlak naast de ster staat (licht van de ster en de planeet samen), kon het team de hoeveelheid infrarood licht op verschillende golflengten berekenen dat van de dagkant van de planeet komt. Deze methode, staat bekend als secundaire eclips-spectroscopie.

Koeler dan verwacht
De eerste aanwijzing dat Janssen een substantiële atmosfeer zou kunnen hebben, kwam van temperatuurmetingen op basis van de warmte-energie, die wordt afgegeven in de vorm van infrarood licht. Als de planeet bedekt is met donker gesmolten gesteente met een dunne sluier van verdampt gesteente of helemaal geen atmosfeer heeft, zou de temperatuur aan de dagkant rond de 2200 graden Celsius moeten liggen.

In plaats daarvan toonden de MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur van ongeveer 1540 graden Celsius. “Dit is een zeer sterke aanwijzing dat energie van de dagzijde naar de nachtzijde wordt gedistribueerd, waarschijnlijk door een atmosfeer die rijk is aan vluchtige stoffen”, licht Hu toe. Hoewel lavastromen wat warmte kunnen verplaatsen naar de nachtkant, kunnen ze die niet efficiënt genoeg verplaatsen om het afkoelingseffect te verklaren.

Toen het team naar de NIRCam-gegevens keek, zagen ze patronen die overeenkwamen met een vluchtige atmosfeer. “We zien bewijs van een dip in het spectrum tussen 4 en 5 micron – minder van dit licht bereikt de telescoop,” legt coauteur Aaron Bello-Arufe (NASA JPL), uit. “Dit suggereert de aanwezigheid van een atmosfeer die koolmonoxide of kooldioxide bevat, die dit licht absorbeert.” Een planeet zonder atmosfeer of een atmosfeer die alleen uit verdampt gesteente bestaat, zou dit specifieke spectrale kenmerk niet hebben.

“We hebben de afgelopen tien jaar verschillende scenario’s gemodelleerd om ons voor te stellen hoe deze wereld eruit zou kunnen zien,” zegt universitair hoofddocent en coauteur Yamila Miguel van de Sterrewacht Leiden en SRON. “Eindelijk bevestiging krijgen van ons werk is onbetaalbaar!”

Bubbelende magma-oceaan
Het team denkt dat de gassen die 55 Cancri e/Janssen bedekken uit het inwendige borrelen, in plaats van al sinds het ontstaan van de planeet aanwezig te zijn. “Met NIRCam zien we mogelijk bewijs van koolmonoxide of kooldioxide”, zegt promovendus Christiaan van Buchem van de Sterrewacht Leiden. “Lava kan grote hoeveelheden water en kooldioxide opslaan. We denken dan ook dat de lava-oceaan als reservoir kan dienen en de atmosfeer continu van gas kan voorzien.”

Het onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van Webb’s General Observers (GO) Program 1952. Momenteel worden aanvullende waarnemingen van secundaire eclipsen van 55 Cancri e geanalyseerd.

De James Webb Space Telescope is ’s werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met partners ESA en CSA.

Artikel
A secondary atmosphere on the rocky exoplanet 55 Cancri e, Renyu Hu et al. Verschijnt vandaag in Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07432-x.

Bron: Astronomie.Nl.

Share

Speak Your Mind

*