Webb-gegevens wijzen op een mogelijke atmosfeer rond een rotsachtige exoplaneet

Astronomen hebben met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop mogelijke atmosferische gassen ontdekt rond 55 Cancri e, een hete, rotsachtige exoplaneet die zich op 41 lichtjaar van de aarde bevindt. Dit is het beste bewijs tot nu toe voor het bestaan ​​van een rotsachtige planeetatmosfeer buiten ons zonnestelsel. Gas dat opborrelt uit een met lava bedekt oppervlak op 55 Cancri e kan een atmosfeer voeden die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide. De onderzoekers, waaronder astronomen van de Sterrewacht Leiden en SRON, publiceren deze week hun bevindingen in Nature.

De afgelopen twintig jaar hebben wetenschappers tekenen gevonden van een atmosfeer rond tientallen exoplaneten, planeten die rond andere sterren dan onze zon draaien. Al deze planeten hebben een dikke, door waterstof gedomineerde atmosfeer die relatief eenvoudig te bestuderen is. De veel dunnere gasmantels – vergelijkbaar met de atmosfeer van de aarde – die vrijwel zeker enkele kleine, rotsachtige exoplaneten omringen, zijn veel moeilijker te volgen. Onderzoekers denken dat ze eindelijk een glimp hebben opgevangen van de vluchtige atmosfeer rond een rotsachtige exoplaneet.

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. “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 iets hogere dichtheid, 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 werd in 2015 op voordracht van de KNVWS door de Internationale Astronomische Unie tot Janssen benoemd. Janssen is de Nederlandse mede-uitvinder van de telescoop.

Het omschrijven van Janssen als ‘rotsachtig’ zou echter een verkeerde indruk kunnen wekken. De planeet draait zo dicht rond zijn ster (eenvijfentwintigste van de afstand tussen de planeet Mercurius en de zon) dat het oppervlak waarschijnlijk gesmolten is: een borrelende oceaan van magma. Met zo’n korte baan is de planeet waarschijnlijk ook rotatievergrendeld, met een dagzijde altijd naar de ster gericht en een nachtzijde in eeuwige duisternis, net zoals onze maan altijd dezelfde kant naar de aarde gericht heeft.

Ondanks de talrijke waarnemingen die zijn gedaan sinds de ontdekking van de planeet in 2011, blijft de vraag of Janssen al dan niet een atmosfeer heeft (of zelfs zou kunnen hebben) onbeantwoord, gezien de hoge temperatuur en het constante bombardement van straling en zonnewind.

“Het grootste deel van mijn onderzoek is gericht op het ontrafelen van de dubbelzinnige aard van deze planeet”, zegt co-auteur Mantas Zilinskas, een postdoc bij het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON). “Met Webb zullen we eindelijk de atmosferen en composities van superaardes in ongekend detail kunnen 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, dichtere atmosferen rond rotsachtige planeten nog steeds ongrijpbaar.

Eerdere 55 Cancri e-onderzoeken met behulp van gegevens van NASA’s inmiddels gepensioneerde Spitzer-ruimtetelescoop suggereerden de aanwezigheid van een aanzienlijke atmosfeer die rijk is aan vluchtige stoffen (moleculen die in gasvorm op aarde voorkomen) zoals zuurstof, stikstof en koolstofdioxide. Maar onderzoekers konden een andere mogelijkheid niet uitsluiten: dat de planeet steriel is, afgezien van een dunne laag verdampt gesteente dat rijk is aan elementen zoals silicium, ijzer, aluminium en calcium. “De planeet is zo heet dat een deel van het gesmolten gesteente zou moeten verdampen”, zei Hu.

Subtiele variaties in het infrarood.
Om onderscheid te maken tussen de twee mogelijkheden gebruikte het team van Webbs NIRCam (nabij-infraroodcamera) en MIRI (midden-infraroodinstrument) om infraroodlicht van 4 tot 12 micron te meten dat van de planeet kwam.

Hoewel Webb geen direct beeld van 55 Cancri e kan vastleggen, kan hij subtiele veranderingen in het licht van het systeem meten terwijl de planeet om zijn ster draait.

Door de helderheid tijdens de secundaire zonsverduistering, wanneer de planeet zich achter de ster bevindt (alleen sterrenlicht), 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 bepalen De hoeveelheid infrarood licht op verschillende golflengten afkomstig van de dagzijde van de planeet wordt berekend. Deze methode staat bekend als secundaire eclipsspectroscopie.

Koeler dan verwacht
De eerste aanwijzing dat Janssen mogelijk een substantiële atmosfeer heeft, kwam van temperatuurmetingen op basis van thermische 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 overdag rond de 2200 graden Celsius moeten zijn.

In plaats daarvan lieten MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur zien van ongeveer 1.540 graden Celsius. “Dit is een heel duidelijke indicatie dat de energie van de dagzijde naar de nachtzijde wordt gedistribueerd, waarschijnlijk via een vluchtige, rijke atmosfeer”, legt Hu uit. Hoewel lavastromen enige warmte naar de nachtzijde kunnen verplaatsen, kunnen ze deze niet efficiënt genoeg verplaatsen om het afkoelende effect te verklaren.

Toen het team de NIRCam-gegevens onderzocht, zagen ze patronen die consistent waren met een vluchtige atmosfeer. ‘We zien bewijs van een daling van het spectrum tussen 4 en 5 micron: minder licht bereikt de telescoop’, legt co-auteur 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 met een atmosfeer die uitsluitend 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 co-auteur Yamila Miguel van de Sterrewacht Leiden en SRON. “Eindelijk bevestiging krijgen van ons werk is van onschatbare waarde!”

Borrelende magma-oceaan
Het team denkt dat de gassen die 55 Cancri e/Janssen bedekken, van binnenuit opborrelen, in plaats van dat ze al aanwezig waren sinds de vorming van de planeet. “Met NIRCam kunnen we bewijs zien van koolmonoxide of kooldioxide”, zegt promovendus Christiaan van Buchem van de Sterrewacht Leiden. “Daarom denken we dat de lava-oceaan als reservoir kan dienen. en het voortdurend in stand houden van de atmosfeer kan gas opleveren.”

Het onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van Webb’s General Observer (GO) Programma van 1952. Aanvullende secundaire eclipswaarnemingen van 55 Cancri e worden momenteel geanalyseerd.

De James Webb-ruimtetelescoop is ‘s werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries in ons zonnestelsel op, observeert verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met partners ESA en CSA.

Over MIRI
Het MIRI-instrument van de James Webb-ruimtetelescoop is gebouwd in samenwerking tussen Europa en de Verenigde Staten. De Nederlandse Onderzoekschool voor Sterrenkunde (NOVA) was verantwoordelijk voor de hoofdoptiek van de MIRI-spectrometer, met ASTRON en TNO als onderaannemers en met bijdragen van SRON. Financiële steun werd verleend door de Nederlandse onderzoeksfinancier NWO.

Professionele publicatie in Nature.