In een zonnestelsel dat TRAPPIST-1 wordt genoemd, op 40 lichtjaar van de zon, draaien zeven planeten ter grootte van de aarde rond een koude ster. Astronomen hebben met de James Webb Space Telescope (JWST) nieuwe gegevens verkregen over TRAPPIST-1 b, de planeet in het TRAPPIST-1 zonnestelsel die het dichtst bij zijn ster staat. Deze nieuwe waarnemingen bieden inzicht in hoe zijn ster waarnemingen van exoplaneten in de bewoonbare zone van koele sterren kan beïnvloeden. In de bewoonbare zone kan er nog vloeibaar water voorkomen op het oppervlak van de planeet.
Het team, waarvan ook astronoom Ryan MacDonald van de Universiteit van Michigan en NASA Sagan Fellow deel uitmaakte, publiceerde zijn studie in het tijdschrift The Astrophysical Journal Letters. "Onze waarnemingen zagen geen tekenen van een atmosfeer rond TRAPPIST-1 b. Dit vertelt ons dat de planeet een kale rots kan zijn, wolken hoog in de atmosfeer kan hebben of een heel zwaar molecuul zoals koolstofdioxide kan hebben dat de atmosfeer te klein maakt om te detecteren," zei MacDonald. "Maar wat we wel zien is dat de ster absoluut het grootste effect is dat onze waarnemingen domineert, en dit zal precies hetzelfde doen met andere planeten in het systeem." Het grootste deel van het onderzoek van het team was gericht op hoeveel ze konden leren over de invloed van de ster op waarnemingen van planeten in het TRAPPIST-1 systeem. "Als we er nu niet achter komen hoe we met de ster moeten omgaan, zal het veel en veel moeilijker worden om atmosferische signalen te zien wanneer we naar de planeten in de bewoonbare zone kijken - TRAPPIST-1 d, e en f", aldus MacDonald.
Een veelbelovend exoplanetair systeem
TRAPPIST-1, een ster die veel kleiner en koeler is dan onze zon en zich op ongeveer 40 lichtjaar van de aarde bevindt, heeft de aandacht getrokken van wetenschappers en ruimtevaartliefhebbers sinds de ontdekking van zijn zeven exoplaneten ter grootte van de aarde in 2017. Deze werelden, dicht opeengepakt rond hun ster met drie ervan binnen de bewoonbare zone, hebben de hoop aangewakkerd om mogelijk bewoonbare omgevingen buiten ons zonnestelsel te vinden. Het onderzoek, geleid door Olivia Lim van het Trottier Institute for Research on Exoplanets aan de Universiteit van Montreal, maakte gebruik van een techniek genaamd transmissiespectroscopie om belangrijke inzichten te krijgen in de eigenschappen van TRAPPIST-1 b. Door het licht van de centrale ster te analyseren nadat het tijdens een transit door de atmosfeer van de exoplaneet is gegaan, kunnen astronomen de unieke vingerafdruk zien die de moleculen en atomen in die atmosfeer hebben achtergelaten.
"Deze waarnemingen zijn gedaan met het NIRISS-instrument op de JWST, dat is gebouwd door een internationale samenwerking onder leiding van René Doyon van de Universiteit van Montreal, onder auspiciën van de Canadese ruimtevaartorganisatie over een periode van bijna 20 jaar", zegt Michael Meyer, U-M hoogleraar astronomie. "Het was een eer om deel uit te maken van deze samenwerking en het was enorm opwindend om resultaten zoals deze, die verschillende werelden rond nabije sterren karakteriseren, te zien komen van deze unieke mogelijkheid van NIRISS."
Ken uw ster, ken uw planeet
De belangrijkste bevinding van het onderzoek was de significante invloed van stellaire activiteit en vervuiling bij het bepalen van de aard van een exoplaneet. Stellaire vervuiling verwijst naar de invloed van de eigen kenmerken van de ster, zoals donkere gebieden die vlekken worden genoemd en heldere gebieden die faculae worden genoemd, op de metingen van de atmosfeer van de exoplaneet. Het team heeft overtuigend bewijs gevonden dat stellaire vervuiling een cruciale rol speelt bij de vorming van de transmissiespectra van TRAPPIST-1 b en waarschijnlijk ook van de andere planeten in het systeem. De activiteit van de centrale ster kan "spooksignalen" creëren die de waarnemer voor de gek houden door hem te laten denken dat hij een bepaalde molecuul in de atmosfeer van de exoplaneet heeft waargenomen.
Dit resultaat onderstreept hoe belangrijk het is om rekening te houden met stellaire vervuiling bij het plannen van toekomstige waarnemingen van alle exoplanetaire systemen. Dit geldt vooral voor systemen zoals TRAPPIST-1, omdat deze gecentreerd is rond een rode dwergster die bijzonder actief kan zijn met stervlekken en frequente flare-events.
"Naast de vervuiling door stellaire vlekken en faculae zagen we een stellaire vlam, een onvoorspelbare gebeurtenis waarbij de ster enkele minuten tot uren helderder lijkt," zei Lim. "Deze vlam beïnvloedde onze meting van de hoeveelheid licht die door de planeet werd geblokkeerd. Zulke tekenen van stellaire activiteit zijn moeilijk te modelleren, maar we moeten er rekening mee houden om er zeker van te zijn dat we de gegevens juist interpreteren." MacDonald speelde een sleutelrol bij het modelleren van de invloed van de ster en het zoeken naar een atmosfeer in de waarnemingen van het team. Hij voerde een serie van miljoenen modellen uit om het volledige scala aan eigenschappen van koele stervlekken, hete ster-actieve gebieden en planeetatmosferen te onderzoeken die de JWST-waarnemingen die de astronomen zagen, konden verklaren.
Geen atmosfeer van betekenis op TRAPPIST-1 b
Hoewel alle zeven TRAPPIST-1 planeten interessante kandidaten zijn in de zoektocht naar exoplaneten met een atmosfeer ter grootte van de aarde, bevindt TRAPPIST-1 b zich door de nabijheid van zijn ster in zwaardere omstandigheden dan zijn broers en zussen. De planeet ontvangt vier keer meer straling van de zon dan de aarde en heeft een oppervlaktetemperatuur tussen 120 en 220 graden Celsius.
Als TRAPPIST-1 b echter een atmosfeer zou hebben, zou hij van alle doelen in het systeem het gemakkelijkst te detecteren en te beschrijven zijn. Omdat TRAPPIST-1 b de planeet is die het dichtst bij zijn ster staat en dus de heetste planeet in het systeem is, creëert zijn overgang een sterker signaal. Al deze factoren maken van TRAPPIST-1 b een cruciaal, maar uitdagend waarneemdoel. Om rekening te houden met de invloed van stellaire vervuiling voerde het team twee onafhankelijke atmosferische retrievals uit, een techniek om op basis van waarnemingen te bepalen wat voor soort atmosfeer er op TRAPPIST-1 b aanwezig is. In de eerste benadering werd de stellaire vervuiling uit de gegevens verwijderd voordat ze werden geanalyseerd. In de tweede benadering, uitgevoerd door MacDonald, werden stellaire vervuiling en de planeetatmosfeer tegelijkertijd gemodelleerd en berekend.
In beide gevallen gaven de resultaten aan dat de spectra van TRAPPIST-1 b goed overeenkwamen met de gemodelleerde stellaire vervuiling alleen. Dit suggereert dat er geen bewijs is voor een significante atmosfeer op de planeet. Zo'n resultaat is zeer waardevol, omdat het astronomen vertelt welke atmosferen onverenigbaar zijn met de waargenomen gegevens. Op basis van hun verzamelde JWST-waarnemingen onderzochten Lim en haar team een reeks atmosfeermodellen voor TRAPPIST-1 b, waarbij ze verschillende mogelijke samenstellingen en scenario's onderzochten. Ze ontdekten dat wolkenvrije, waterstofrijke atmosferen met hoge betrouwbaarheid werden uitgesloten. Dit betekent dat er geen duidelijke, uitgebreide atmosfeer rond TRAPPIST-1 b lijkt te zijn.
De gegevens konden echter niet met zekerheid dunnere atmosferen uitsluiten, zoals die van puur water, kooldioxide of methaan, noch een atmosfeer die lijkt op die van Titan, een maan van Saturnus en de enige maan in het zonnestelsel met een significante atmosfeer. Deze resultaten, het eerste spectrum van een TRAPPIST-1 planeet, komen over het algemeen overeen met eerdere JWST-waarnemingen van de dagkant van TRAPPIST-1 b, gezien in één kleur met het MIRI-instrument. Terwijl astronomen doorgaan met het onderzoeken van andere rotsachtige planeten in de uitgestrektheid van de ruimte, zullen deze bevindingen informatie opleveren voor toekomstige waarnemingsprogramma's met de JWST en andere telescopen, en bijdragen aan een breder begrip van exoplaneetatmosferen en hun potentiële bewoonbaarheid.
Bron: University of Michigan
