Astronomen hebben door de atmosfeer van een planeet buiten het zonnestelsel heen gekeken, en voor het eerst diens 3D-structuur in kaart gebracht. Door alle vier de 8,2-meter telescopen van de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) met elkaar te combineren, ontdekten ze sterke winden die chemische elementen zoals ijzer en titanium met zich mee voeren. Zo ontstaan complexe weerpatronen in de atmosfeer van de planeet. De ontdekking maakt gedetailleerde studies mogelijk van de chemische samenstelling en het weer op andere exoplaneten.
‘De atmosfeer van deze planeet gedraagt zich op manieren die onze kennis van de werking van het weer, niet alleen op aarde, maar op alle planeten – ter discussie stelt. Het voelt als sciencefiction,’ zegt Julia Victoria Seidel, onderzoeker bij de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili en hoofdauteur van het onderzoek waarvan de resultaten vandaag in Nature zijn gepubliceerd.
De betreffende planeet, WASP-121b (ook bekend als Tylos), staat op ongeveer negenhonderd lichtjaar in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Puppis (Achtersteven). Het is een ultrahete Jupiter – een gasplaneet die op zo’n kleine afstand om zijn moederster draait, dat een jaar daar slechts dertig aardse uren duurt. Bovendien is de ene kant van de planeet ziedend heet, omdat deze altijd naar de ster toe is gericht, terwijl de andere kant veel koeler is.
Het team heeft nu diep in de atmosfeer van Tylos gekeken en ontdekt dat de winden op verschillende diepten van elkaar verschillen. Aan de hand daarvan kon de 3D-structuur van de atmosfeer in kaart worden gebracht. Het is voor het eerst dat astronomen de atmosfeer van een planeet buiten ons zonnestelsel zo grondig en gedetailleerd hebben kunnen onderzoeken.
‘Wat we hebben ontdekt was verrassend: een straalstroom die materiaal rond de evenaar van de planeet laat draaien, terwijl een afzonderlijke stroming op lagere niveaus in de atmosfeer gas van de hete naar de koelere kant van de planeet verplaatst. Een klimaat als dit is nog nooit eerder op een planeet gezien,’ zegt Seidel, die tevens onderzoeker is bij het Lagrange-laboratorium van het Observatoire de la Côte d'Azur in Frankrijk. De snel bewegende straalstroom beslaat de helft van de planeet en brengt de hoger gelegen atmosfeer heftig in beroering terwijl deze het hete halfrond van Tylos passeert. ‘Daarmee vergeleken zijn zelfs de hevigste orkanen in ons zonnestelsel nogal mak’, voegt ze daaraan toe.
Om de 3D-structuur van de atmosfeer van de exoplaneet te onthullen, heeft het team gebruikgemaakt van het ESPRESSO-instrument van ESO’s VLT. Daarmee is het licht van zijn vier grote telescopen samengevoegd tot één signaal. In deze ‘gecombineerde modus’ verzamelt de VLT vier keer zoveel licht als elk van de telescopen afzonderlijk, waardoor zwakkere details te zien zijn. Door de planeet gedurende één volledige passage voor zijn ster waar te nemen, was ESPRESSO in staat om de signaturen van diverse chemische elementen te detecteren, en op die manier verschillende lagen van de planeetatmosfeer te bestuderen.
Dit diagram toont de structuur en beweging van de atmosfeer van de exoplaneet Tylos (WASP-121b). De exoplaneet
is hier van bovenaf afgebeeld, kijkend naar een van zijn polen. De planeet draait tegen de klok in, op zo’n manier
dat hij altijd met dezelfde kant naar zijn moederster wijst. Op het ene halfrond van de planeet is het dus altijd dag,
en op het andere halfrond altijd nacht. - Foto: ESO
‘Met de VLT konden we in één klap drie verschillende lagen van de atmosfeer van de exoplaneet onderzoeken’, zegt medeauteur van de studie Leonardo A. dos Santos, assistent-astronoom bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore, VS. Het team volgde de bewegingen van ijzer, natrium en waterstof, waardoor ze respectievelijk de winden in de diepe, middelste en onderste lagen van de atmosfeer van de planeet konden volgen. ‘Dit soort waarnemingen laat zich erg moeilijk uitvoeren met ruimtetelescopen, wat onderstreept hoe belangrijk exoplaneet-waarnemingen vanaf de grond zijn’, voegt hij daaraan toe.
Interessant genoeg lieten de waarnemingen ook zien dat er net onder de straalstroom titanium aanwezig was, zoals wordt bevestigd door een begeleidende studie die in Astronomy and Astrophysics is gepubliceerd. Dit kwam als een verrassing, omdat dit element bij eerdere waarnemingen van de planeet afwezig leek te zijn, mogelijk omdat het diep in de atmosfeer verscholen zit.
‘Het is werkelijk verbluffend dat we in staat zijn om details als de chemische samenstelling en weerpatronen van een planeet vanaf zo’n’grote afstand te bestuderen’, zegt Bibiana Prinoth, PhD-student bij de Universiteit van Lund (Zweden) en ESO, die leiding gaf aan de begeleidende studie en medeauteur is van het artikel in Nature.
Om ook de atmosferen van kleinere, aardachtige planeten te kunnen onderzoeken, hebben astronomen grotere telescopen nodig, zoals de Extremely Large Telescope (ELT) van ESO, die momenteel in aanbouw is in de Atacamawoestijn in Chili. ‘De ELT zal een grote impact hebben op het onderzoek van de atmosferen van exoplaneten’, zegt Prinoth. ‘Deze ervaring geeft me het gevoel dat we op het punt staan om ongelooflijke ontdekkingen te doen, waar we nu alleen nog maar van kunnen dromen.’
De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) stelt wetenschappers van over de hele wereld in staat om de geheimen van het heelal te ontdekken, ten bate van iedereen. Wij ontwerpen, bouwen en exploiteren observatoria van wereldklasse die door astronomen worden gebruikt om spannende vragen te beantwoorden en de fascinatie voor astronomie te verspreiden, en bevorderen internationale samenwerking op het gebied van de astronomie. ESO, in 1962 opgericht als intergouvernementele organisatie, wordt inmiddels gedragen door 16 lidstaten (België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland) en door het gastland Chili, met Australië als strategische partner. Het hoofdkwartier van de ESO en haar bezoekerscentrum en planetarium, de ESO Supernova, zijn gevestigd nabij München in Duitsland, maar onze telescopen staan opgesteld in de Chileense Atacama-woestijn – een prachtige plek met unieke omstandigheden voor het doen van hemelwaarnemingen. ESO exploiteert drie waarnemingslocaties: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope en Very Large Telescope Interferometer, evenals surveytelescopen zoals VISTA. Ook zal ESO op Paranal de Cherenkov Telescope Array South huisvesten en exploiteren – ’s werelds grootste en gevoeligste observatorium van gammastraling. Samen met internationale partners beheert ESO APEX en ALMA op Chajnantor, twee faciliteiten die de hemel waarnemen in het millimeter- en submillimetergebied. Op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwen wij ‘het grootste oog ter wereld’ – ESO’s Extremely Large Telescope. Vanuit onze kantoren in Santiago, Chili, ondersteunen wij onze activiteiten in het gastland en werken wij samen met Chileense partners en de Chileense samenleving.
Bron: ESO
