NASA's James Webb ruimtetelescoop heeft zojuist een nieuwe primeur gescoord: een moleculair en chemisch profiel van de hemel van een verre wereld. Terwijl Webb en andere ruimtetelescopen, waaronder NASA's Hubble en Spitzer, eerder geïsoleerde ingrediënten van de atmosfeer van deze kokende planeet hebben onthuld, bieden de nieuwe metingen van Webb een volledig menu van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken.
De nieuwste gegevens geven ook een idee van hoe deze wolken er van dichtbij uitzien: gebroken in plaats van een enkele, uniforme deken over de planeet. De zeer gevoelige instrumenten van de telescoop zijn gericht op de atmosfeer van WASP-39 b, een "hete Saturnus" (een planeet die ongeveer even zwaar is als Saturnus, maar in een nauwere baan dan Mercurius) die rond een ster op ongeveer 700 lichtjaar afstand draait.
De bevindingen voorspellen veel goeds voor het vermogen van de instrumenten van Webb om alle soorten exoplaneten - planeten rond andere sterren - te onderzoeken, waarop de wetenschappelijke gemeenschap hoopt. Daartoe behoort ook het onderzoeken van de atmosfeer van kleinere, rotsachtige planeten zoals die in het TRAPPIST-1-systeem. "We hebben de exoplaneet geobserveerd met meerdere instrumenten die samen een brede strook van het infraroodspectrum en een groot aantal chemische vingerafdrukken opleveren die tot [deze missie] ontoegankelijk waren", aldus Natalie Batalha, astronoom aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz, die heeft bijgedragen aan het nieuwe onderzoek en het mede heeft gecoördineerd. "Gegevens als deze veranderen het spel."
De reeks ontdekkingen wordt gedetailleerd beschreven in een reeks van vijf nieuwe wetenschappelijke artikelen, waarvan er drie zijn gepubliceerd en twee nog in behandeling zijn. Een van de ongekende ontdekkingen is de eerste waarneming in de atmosfeer van een exoplaneet van zwaveldioxide (SO2), een molecuul dat wordt geproduceerd door chemische reacties die in gang worden gezet door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op aarde wordt de beschermende ozonlaag in de bovenste atmosfeer op soortgelijke wijze gevormd. "Dit is de eerste keer dat we concreet bewijs zien van fotochemie - chemische reacties in gang gezet door energetisch stellair licht - op exoplaneten", aldus Shang-Min Tsai, onderzoeker aan de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk en hoofdauteur van het artikel waarin de oorsprong van zwaveldioxide in de atmosfeer van WASP-39 b wordt verklaard. "Ik zie dit als een veelbelovend vooruitzicht om met [deze missie] meer inzicht te krijgen in de atmosferen van exoplaneten."
Dit leidde tot een andere primeur: wetenschappers passen computermodellen van fotochemie toe op gegevens die een volledige verklaring van dergelijke fysica vereisen. De daaruit voortvloeiende verbeteringen in de modellering zullen helpen de technologische kennis op te bouwen om in de toekomst mogelijke tekenen van bewoonbaarheid te interpreteren. "Planeten worden gevormd en getransformeerd door hun omloop in het stralingsbad van de gastheerster", aldus Batalha. "Op aarde kunnen deze transformaties leven mogelijk maken."
Doordat de planeet zo dicht bij zijn gastheerster staat - acht keer dichter dan Mercurius bij onze zon - is hij ook een laboratorium om de effecten van straling van gastheersterren op exoplaneten te bestuderen. Een betere kennis van het verband tussen ster en planeet moet leiden tot een beter begrip van de wijze waarop deze processen de diversiteit van de in het melkwegstelsel waargenomen planeten beïnvloeden. Om het licht van WASP-39 b te zien, volgde Webb de planeet terwijl deze voor zijn ster langsging, waardoor een deel van het licht van de ster door de atmosfeer van de planeet werd gefilterd. Verschillende soorten chemicaliën in de atmosfeer absorberen verschillende kleuren van het sterlichtspectrum, dus de kleuren die ontbreken vertellen astronomen welke moleculen aanwezig zijn. Door het heelal in infrarood licht te bekijken, kan Webb chemische vingerafdrukken oppikken die in zichtbaar licht niet kunnen worden waargenomen.
Andere atmosferische bestanddelen die door de Webb-telescoop zijn gedetecteerd, zijn natrium (Na), kalium (K) en waterdamp (H2O). Dit bevestigt eerdere waarnemingen van telescopen in de ruimte en op de grond en het vindt ook extra vingerafdrukken van water, op deze langere golflengten, die nog niet eerder zijn waargenomen. Webb zag ook kooldioxide (CO2) met een hogere resolutie en leverde twee keer zoveel gegevens op als bij eerdere waarnemingen. Ondertussen werd koolmonoxide (CO) waargenomen, maar duidelijke tekenen van zowel methaan (CH4) als waterstofsulfide (H2S) ontbraken in de Webb-gegevens. Indien aanwezig, komen deze moleculen in zeer lage concentraties voor.
Om dit brede spectrum van de atmosfeer van WASP-39 b vast te leggen, heeft een internationaal team van honderden mensen onafhankelijk van elkaar gegevens geanalyseerd van vier van de nauwkeurig gekalibreerde instrumentmodi van de Webb-telescoop.
"We hadden voorspeld wat [de telescoop] ons zou laten zien, maar het was preciezer, diverser en mooier dan ik eigenlijk dacht dat het zou zijn," zei Hannah Wakeford, een astrofysicus aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk die onderzoek doet naar exoplaneetatmosferen.
Met zo'n compleet rooster van chemische ingrediënten in de atmosfeer van een exoplaneet krijgen wetenschappers ook een beeld van de overvloed aan verschillende elementen in relatie tot elkaar, zoals de koolstof/zuurstof- of kalium/zuurstof-verhouding. Dat geeft dan weer inzicht in hoe deze planeet - en misschien ook andere - in zijn jonge jaren is ontstaan uit de gas- en stofschijf rond de moederster. De chemische inventaris van WASP-39 b wijst op een geschiedenis van samensmeltingen en fusies van kleinere lichamen, planetesimalen genaamd, om uiteindelijk een gigantische planeet te creëren.
"De overvloed aan zwavel (ten opzichte van) waterstof wijst erop dat de planeet vermoedelijk een aanzienlijke aangroei van planetesimalen heeft doorgemaakt die [deze ingrediënten] aan de atmosfeer kunnen leveren," aldus Kazumasa Ohno, een exoplaneetonderzoeker van UC Santa Cruz die aan de Webb-gegevens werkte. "De gegevens geven ook aan dat de zuurstof veel talrijker is dan de koolstof in de atmosfeer. Dit wijst er mogelijk op dat WASP-39 b oorspronkelijk ver van de centrale ster is gevormd." Door de atmosfeer van een exoplaneet zo nauwkeurig te ontleden, hebben de instrumenten van de Webb-telescoop de verwachtingen van de wetenschappers ruimschoots overtroffen.
"We gaan het grote plaatje van de atmosferen van exoplaneten kunnen zien," zei Laura Flagg, onderzoeker aan de Cornell University en lid van het internationale team. "Het is ongelooflijk spannend om te weten dat alles herschreven gaat worden. Dat is een van de leukste kanten van het wetenschapper zijn."
Bron: NASA
