Onderzoekers van NASA's James Webb ruimtetelescoop hebben mogelijk atmosferische gassen ontdekt rond 55 Cancri e, een hete rotsachtige exoplaneet die 41 lichtjaar van de aarde verwijderd is. Dit is het beste bewijs tot nu toe voor het bestaan van een atmosfeer van een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel. Renyu Hu van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Californië, is hoofdauteur van een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd. "Webb verlegt de grenzen van de karakterisering van exoplaneten naar rotsachtige planeten," zei Hu. "Het maakt echt een nieuw soort wetenschap mogelijk."
Superhete superaarde 55 Cancri e
55 Cancri e (afbeelding hieronder, details/download), 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 omschrijven als "rotsachtig" zou echter de verkeerde indruk kunnen wekken. De planeet draait zo dicht om zijn ster (ongeveer 1,4 miljoen mijl, oftewel een vijfentwintigste van de afstand tussen Mercurius en de zon) dat zijn oppervlak waarschijnlijk gesmolten is - een borrelende oceaan van magma. Met zo'n krappe baan is de planeet waarschijnlijk ook tidally locked, met een dagkant die altijd naar de ster is gericht en een nachtkant in eeuwige duisternis.
Ondanks talloze waarnemingen sinds de ontdekking van de planeet in 2011, is de vraag of 55 Cancri e een atmosfeer heeft - of er zelfs een zou kunnen hebben gezien de hoge temperatuur en de voortdurende stellaire straling en wind van zijn ster - onbeantwoord gebleven. "Ik heb meer dan tien jaar aan deze planeet gewerkt", zegt Diana Dragomir, een exoplaneetonderzoeker aan de Universiteit van New Mexico en co-auteur van het onderzoek. "Het was echt frustrerend dat geen van de waarnemingen die we kregen deze mysteries goed konden oplossen. Ik ben blij dat we nu eindelijk antwoorden krijgen!" In tegenstelling tot de atmosferen van gasreuzenplaneten, die relatief gemakkelijk te ontdekken zijn (de eerste werd meer dan twintig jaar geleden ontdekt door NASA's Hubble ruimtetelescoop), zijn de dunnere en dichtere atmosferen rond rotsachtige planeten ongrijpbaar gebleven.
Eerdere studies van 55 Cancri e met behulp van 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," legde Hu uit.
Subtiele variaties in infrarode kleuren meten
Om onderscheid te kunnen maken tussen de twee mogelijkheden, gebruikte het team Webb's 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 de ster draait. Door de helderheid tijdens de secundaire eclips (afbeelding hieronder, details/download), 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 van verschillende golflengten berekenen dat van de dagkant van de planeet komt. Deze methode, die bekend staat als secundaire eclips-spectroscopie, is vergelijkbaar met de methode die andere onderzoeksteams gebruiken om te zoeken naar atmosferen op andere rotsachtige exoplaneten, zoals TRAPPIST-1 b.
Koeler dan verwacht
De eerste aanwijzing dat 55 Cancri e een substantiële atmosfeer zou kunnen hebben, kwam van temperatuurmetingen op basis van zijn thermische emissie (afbeelding hieronder, details/download), of 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, dan zou de temperatuur aan de dagkant rond de 4.000 graden Fahrenheit (~2.200 graden Celsius) moeten liggen. "In plaats daarvan toonden de MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur van ongeveer 2.800 graden Fahrenheit [~1540 graden Celsius]," zei Hu. "Dit is een zeer sterke aanwijzing dat energie wordt verdeeld van de dagzijde naar de nachtzijde, waarschijnlijk door een vluchtige atmosfeer." Hoewel lavastromen wat warmte naar de nachtkant kunnen verplaatsen, kunnen ze dit niet efficiënt genoeg doen 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 co-auteur Aaron Bello-Arufe, ook van NASA JPL, uit. "Dit suggereert de aanwezigheid van een atmosfeer die koolmonoxide of kooldioxide bevat, die deze golflengten van licht absorberen." Een planeet zonder atmosfeer of een atmosfeer die alleen uit verdampt gesteente bestaat, zou dit specifieke spectrale kenmerk niet hebben. "We zijn de afgelopen tien jaar bezig geweest met het modelleren van verschillende scenario's, om ons voor te stellen hoe deze wereld eruit zou kunnen zien," zegt medeauteur Yamila Miguel van de Sterrewacht Leiden en het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON). "Eindelijk bevestiging krijgen van ons werk is onbetaalbaar!"
Bubbelende Magma-oceaan
Het team denkt dat de gassen die 55 Cancri e bedekken uit het inwendige borrelen, in plaats van aanwezig te zijn sinds het ontstaan van de planeet. "De primaire atmosfeer zou al lang verdwenen zijn door de hoge temperatuur en intense straling van de ster," aldus Bello-Arufe. "Dit zou een secundaire atmosfeer zijn die continu wordt aangevuld door de magma-oceaan. Magma bestaat niet alleen uit kristallen en vloeibaar gesteente; er zit ook veel opgelost gas in." Hoewel 55 Cancri e veel te heet is om bewoonbaar te zijn, denken onderzoekers dat het een uniek venster kan bieden voor het bestuderen van interacties tussen atmosferen, oppervlakken en interieurs van rotsachtige planeten, en misschien inzicht kan geven in de vroege omstandigheden van de Aarde, Venus en Mars, waarvan wordt gedacht dat ze ver in het verleden bedekt waren met magmaoceanen. "Uiteindelijk willen we begrijpen onder welke omstandigheden een rotsachtige planeet een gasrijke atmosfeer kan behouden: een belangrijk ingrediënt voor een bewoonbare planeet," zei Hu. Dit onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van Webb's General Observers (GO) Program 1952. Momenteel worden aanvullende waarnemingen van de secundaire eclips van 55 Cancri e geanalyseerd.
Bron: NASA
