Universiteit Leiden

nl en
ESO/M. KORNMESSER

Webb onthult chemisch profiel van atmosfeer van exoplaneet WASP-39 b

Een internationaal team van astronomen heeft het eerste ‘chemische profiel’ van de atmosfeer van een exoplaneet onthuld. Het team, waaronder de Leidse sterrenkundig Yamila Miguel en provenda Amy Louca, maakten het profiel met de zogeheten Early Release Science-data van de James Webb Space Telescope. De resultaten zijn in vijf papers ingediend voor publicatie en beschikbaar op de preprint server.

Nieuwe waarnemingen van WASP-39b met de JWST hebben een duidelijker beeld van de exoplaneet opgeleverd, waaruit de aanwezigheid van natrium, kalium, water, kooldioxide, koolmonoxide en zwaveldioxide in de atmosfeer van de planeet blijkt.

Het gaat om de atmosfeer van de ‘hete Saturnus’ WASP-39 b, een exoplaneet die ongeveer even zwaar is als Saturnus. Hij draait op zo’n 700 lichtjaar afstand van de aarde rond een andere ster dan onze zon. Webb en andere ruimtetelescopen, waaronder Hubble en Spitzer, hebben eerder al geïsoleerde ingrediënten van de atmosfeer van deze hete planeet onthuld.

De nieuwe metingen met de zeer gevoelige instrumenten op Webb bieden een volledige inventaris van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken. Daarnaast geven deze data ook een idee van hoe deze wolken er van dichtbij uitzien. Ze zijn namelijk gebroken in plaats van een enkel, egaal deken over de planeet.

Het onderzoeksgebied van exoplaneten veranderen

‘We hebben de exoplaneet waargenomen met meerdere instrumenten,’ zegt onderzoekscoördinator Natalie Batalha van de Universiteit van Californië. ‘Samen leveren die een brede strook van het infraroodspectrum en een groot aantal chemische vingerafdrukken op. Die waren tot de komst van Webb ontoegankelijk.’

Dit gaat het onderzoeksgebied van exoplaneten totaal veranderen,’ voegt UvA-astronoom Jean-Michel Desert toe. ‘We kunnen nu als nooit tevoren op ondubbelzinnige en uitgebreide wijze de spectrale vingerafdrukken van de chemische samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten waarnemen.’

Zwaveldioxide in de atmosfeer

Een van de bijzondere vondsten is de eerste waarneming van zwaveldioxide in de atmosfeer van een exoplaneet. Zwaveldioxide 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.

Leidse astronoom Yamila Miguel maakte modellen van de atmosfeer van WASP-39 b. Die modellen omvatten ook de fotochemie die gebruikt is om de oorsprong van zwaveldioxide te verklaren, namelijk de chemische reacties die in gang worden gezet door energetisch sterlicht. Zij ziet JWST als een keerpunt in haar vakgebied: ‘Dit is de eerste keer dat we concreet bewijs zien van fotochemie op exoplaneten.’

Dit leidde tot een andere primeur: wetenschappers pasten computermodellen van fotochemie toe op gegevens die een dergelijk hoger niveau van fysica vereisen om volledig te kunnen worden verklaard. Deze verbeterde modellen zullen helpen de technologische kennis op te bouwen om in de toekomst mogelijke tekenen van leven te kunnen interpreteren.

Geen leven op de exoplaneet

WASP-39 b heeft een geschatte temperatuur van 900 graden Celsius en een atmosfeer die voornamelijk uit waterstof bestaat. Op de exoplaneet zal zo goed als zeker geen leven kunnen voorkomen. Maar de nieuwe resultaten kunnen wel richting geven aan bewijs voor potentieel leven op andere exoplaneten, zoals die van de kleinere, rotsachtige planeten zoals die in het TRAPPIST-1-systeem.

De nabijheid van de planeet bij zijn ster – de planeet staat acht keer dichter bij zijn ster dan Mercurius bij onze zon - maakt hem tot een laboratorium om de effecten van straling van sterren op exoplaneten te bestuderen. Een betere kennis van het verband tussen ster en planeet moet leiden tot een beter begrip van de diversiteit aan planeten in onze Melkweg.

Geen methaan en waterstofsulfide

Andere door de Webb-telescoop ontdekte bestanddelen in de atmosfeer zijn natrium, kalium en waterdamp, waarmee eerdere waarnemingen van telescopen in de ruimte en op de grond worden bevestigd. Ook zijn aanvullende signalen van water op langere golflengten gevonden die nog niet eerder waren waargenomen.

Webb zag ook kooldioxide met een hogere resolutie en dat leverde twee keer zoveel gegevens op als bij eerdere waarnemingen. Terwijl er ook koolmonoxide is waargenomen, ontbreken in de Webb-gegevens duidelijke tekenen van zowel methaan als waterstofsulfide.

De werkwijze van Webb

Het vastleggen van zo'n breed spectrum van de atmosfeer van WASP-39 b was een wetenschappelijke krachttoer. Een internationaal team van honderden mensen analyseerde onafhankelijk van elkaar de gegevens van de instrumenten op de Webb-telescoop. Webb bekijkt het heelal in infrarood licht, voorbij het gebied in het elektromagnetisch spectrum wat het menselijk oog kan waarnemen. Daardoor kan de telescoop chemische vingerafdrukken oppikken die in zichtbaar licht niet kunnen worden gedetecteerd. De drie gebruikte instrumenten zijn NIRSpec, NIRCam en NIRISS.


Om het licht van WASP-39 b te zien, volgde Webb de planeet terwijl hij voor zijn ster langsging, waardoor een deel van het licht van de ster door de atmosfeer van de planeet werd gefilterd. Verschillende soorten moleculen in de atmosfeer absorberen verschillende kleuren van het sterlichtspectrum. De kleuren die ontbreken vertellen astronomen dus welke moleculen aanwezig zijn.

Chemische inventaris van WASP-39 b

Met de nu ontdekte complete inventaris aan chemische ingrediënten krijgen wetenschappers ook een kijkje in de overvloed van verschillende elementen in relatie tot elkaar, zoals de koolstof-zuurstof- of kalium-zuurstofverhouding. Dat geeft weer inzicht in hoe deze planeet in zijn jonge jaren is ontstaan uit de gas- en stofschijf rond zijn moederster. De chemische inventaris van WASP-39 b wijst op een geschiedenis van botsen en samenklitten van kleinere brokken, zogeheten planetesimalen, die uiteindelijk een gigantische planeet hebben gecreëerd.

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 hebben kunnen leveren. Zuurstof is ook veel overvloediger aanwezig in de atmosfeer dan koolstof. Dit wijst er mogelijk op dat WASP-39 b oorspronkelijk ver van de centrale ster is gevormd.

Kleine puzzelstukjes aan elkaar passen

Andere in Nederland werkzame coauteurs zijn Hinna Shivkumar en Saugata Barat van de Universiteit van Amsterdam en Amy Louca van de Sterrewacht Leiden. Amy Louca: ‘Het was fantastisch om als PhD-student met deze gegevens te werken en in de modellen signaturen van bijvoorbeeld kooldioxide en zwaveldioxide te kunnen reproduceren. Het heeft ons laten zien dat er zoveel verschillende aspecten zijn aan exoplaneten. We zijn nu eindelijk in staat om de kleinere puzzelstukjes in elkaar te passen.’

Dit artikel verscheen als persbericht op de website van De Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).

Credits artist impression: Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
Credits beelden: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) 


 

Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.