Leidse promovendus ontdekt dunne atmosfeer op exoplaneet TRAPPIST-1 c met JWST
Een groep astronomen heeft onder leiding van de Leidse promovendus Sebastian Zieba met behulp van de James Webb Space Telescope (JWST) ontdekt dat de rotsachtige exoplaneet TRAPPIST-1 c een dunne atmosfeer heeft. Hoewel de planeet qua grootte en temperatuur bijna identiek is aan Venus, en de verwachting was dat hij een dikke dampkring zou hebben, blijkt de atmosfeer heel anders te zijn. Door de warmte die de planeet afgeeft te analyseren, concluderen ze dat de planeet mogelijk slechts een ijle atmosfeer heeft met een minimale hoeveelheid kooldioxide. De resultaten zijn verschenen in het tijdschrift Nature.
‘Het nabijgelegen planetenstelsel TRAPPIST-1 is momenteel de beste kandidaat om de atmosferen van rotsige, aarde-achtige planeten rond een rode dwergster te bestuderen’, zegt Sebastian Zieba, die promoveert aan de Universiteit Leiden en aan het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland.
TRAPPIST-1 bevindt zich op een afstand van ongeveer 40 lichtjaar van ons vandaan en herbergt zeven rotsachtige planeten ter grootte van de aarde, waarvan er zich drie in de ‘bewoonbare’ zone bevinden. Dit betekent dat de straling van de centrale ster genoeg warmte produceert om water in vloeibare vorm mogelijk te maken. Omdat TRAPPIST-1 c zich niet in deze bewoonbare zone bevindt, vermoedden astronomen dat het een Venus-achtige planeet zou zijn.
Eroderende planeetatmosferen
Hoewel ze aan de buitenkant relatief koel zijn, vertonen veel sterren met een lage massa gedurende een langere periode van hun leven sterke stellaire winden en intense UV-straling, waardoor de atmosferen van hun planeten beschadigd en geërodeerd kunnen raken. ‘We wilden uitzoeken of TRAPPIST-1 c aan dat lot ontsnapt kan zijn en een substantiële atmosfeer kan hebben behouden, en misschien zelfs vergelijkbaar kan zijn met de planeet Venus in het zonnestelsel’, legt Zieba uit. De zwaartekracht van de planeet aan het oppervlak, die tien procent is dan die van de aarde, zou moeten helpen om de atmosfeer te behouden. Net zoals het geval is bij Venus komen de diameter en massa van TRAPPIST-1 c dicht in de buurt van die van de aarde. Bovendien is de straling die de planeet ontvangt van de centrale ster bijna identiek aan die van Venus.
Een uitdagende taak voor de JWST
Het karakteriseren van de atmosferen van rotsachtige planeten ter grootte van de aarde is een uitdagende taak voor Webb, zelfs voor het midinfraroodinstrument MIRI. Daarom combineerde het team de waarnemingen met modelberekeningen om de meest waarschijnlijke reeks atmosferische eigenschappen te vinden. De omvang, druk en samenstelling van een atmosfeer bepalen de temperatuur van een planeet, afhankelijk van het licht dat hij van zijn ster ontvangt. Omgekeerd bepaalt de temperatuur de hoeveel infrarood licht de planeet uitzendt. Op deze manier geven infraroodmetingen in combinatie met modellen aanwijzingen over de atmosfeer en de samenstelling ervan.
TRAPPIST-1 c lijkt niet op Venus
‘We kunnen een dikke en Venus-achtige atmosfeer zeker uitsluiten’, zegt tweede auteur Laura Kreidberg, hoofdwetenschapper van dit Webb-waarneemprogramma, hoogleraar in Leiden en directeur bij MPIA. Tegen de verwachting in, bereiken de temperaturen ‘slechts’ 110 graden Celsius, tot 390 graden lager dan op Venus. Het infrarode licht dat TRAPPIST-1 c uitzendt, komt niet overeen met een Venusatmosfeer, die rijk is aan kooldioxide die een sterk broeikaseffect veroorzaakt. Terwijl eerder dit jaar gepubliceerde resultaten over TRAPPIST-1 b aantoonden dat deze planeet geen atmosfeer heeft, vergelijkbaar met Mercurius, suggereert TRAPPIST-1 c dat dit planetenstelsel toch geen analogie vertoont met ons zonnestelsel.
Dunne atmosfeer
Om de vraag te beantwoorden of TRAPPIST-1 c op zijn minst een dunne gaslaag heeft, berekenden de wetenschappers de statistische waarschijnlijkheid van een set atmosferische parameters die overeenkomen met de waarnemingen. Het atmosfeermodel bestond uit een reeks oppervlaktedrukken en mengsels van een door zuurstof (O2) gedomineerde atmosfeer met variërende sporen van koolstofdioxide (CO2).
‘We verwachtten een overvloed aan zuurstof met wat kooldioxide voor hete rotsachtige planeten die rond sterren met een lage massa draaien’ zegt Zieba. Planeten zoals TRAPPIST-1 c zouden al vroeg in hun evolutie een atmosfeer moeten hebben die kooldioxide en waterdamp bevat. Na verloop van tijd breekt de stellaire straling de watermoleculen in waterstof en zuurstof. Terwijl de zeer vluchtige waterstof geleidelijk ontsnapt in de open ruimte, blijven de zwaardere zuurstofmoleculen achter, wat leidt tot een zuurstofrijke atmosfeer met sporen van kooldioxide.
Voor TRAPPIST-1 c blijkt dat het model dat deze aanname weerspiegelt consistent is met een breed scala aan zuurstof-koolstofdioxide mengsels en oppervlaktedrukken tussen 1% en 100% van de waarden van het zeeniveau op aarde. Dit resultaat wekt de hoop dat TRAPPIST-1 c en andere voldoende zware rotsachtige planeten rond koele sterren met een lage massa gedurende een aanzienlijk deel van de stellaire levensduur een atmosfeer in stand kunnen houden, aangezien de ster TRAPPIST-1 minstens zo oud is als de zon.
Uitdaging voor Webb
De resultaten zullen moeten worden bevestigd met aanvullende gegevens. ‘Waarnemingen van dit soort atmosferen vergen het uiterste van JWST’, geeft Kreidberg toe. De gemeten signalen zijn zwak en veel eigenschappen zijn nog onbekend, wat tot onzekerheden leidt. In het geval van TRAPPIST-1 c zijn de atmosfeermodellen niet de enige die overeenkomen met de gegevens. Een kaal gesteente met een oppervlaktelaag van materiaal dat is verweerd door stellaire bestraling verklaart de waarnemingen net zo goed. Er zijn extra JWST-waarnemingen nodig om onderscheid te kunnen maken tussen een kale rotsplaneet en een planeet met een ijle atmosfeer. Door het licht te meten dat TRAPPIST-1 c over een breed golflengtebereik uitzendt, kunnen de astronomen de kleine absorptiesignaturen van gassen in de atmosfeer opvangen. De astronomen kijken ook uit naar de mogelijkheden van ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), in aanbouw in de Chileense Atacama-woestijn, die later dit decennium operationeel wordt.
Dit bericht verscheen op www.astronomie.nl.