James Webb telescoop onthult chemische geheimen van verre wereld

James Webb ruimtetelescoop onthult chemische geheimen van verre wereld – maakt de weg vrij voor het bestuderen van aardachtige planeten

Artist impression van WASP b en zijn ster NASA, ESA, CSA, en J. Olmsted (STScI)

Sinds in 1995 de eerste planeet werd ontdekt die om een andere ster dan de zon draaide, hebben we ons gerealiseerd dat planeten en planetenstelsels diverser zijn dan we ons ooit hadden kunnen voorstellen. Zulke verre werelden – exoplaneten – geven ons de kans om te bestuderen hoe planeten zich in verschillende situaties gedragen. En kennis over hun atmosferen is een cruciaal onderdeel van de puzzel.

Nasa’s James Webb ruimtetelescoop (JWST) is de grootste telescoop in de ruimte. Hij wordt gelanceerd op eerste kerstdag 2021 en is het perfecte instrument om deze werelden te onderzoeken. Nu hebben mijn collega’s en ik de telescoop voor het eerst gebruikt om de chemische samenstelling van een exoplaneet te onthullen. En de gegevens, die in drukvorm zijn vrijgegeven (wat betekent dat ze nog in een peer-reviewed tijdschrift moeten worden gepubliceerd), wijzen op enkele verrassende resultaten.

Veel exoplaneten staan te dicht bij hun moederster om zelfs door deze krachtige telescoop te worden onderscheiden. Maar we kunnen de truc toepassen om te kijken hoe de planeet voor zijn ster langs gaat (transits). Tijdens de overgang blokkeert de planeet een klein deel van het sterlicht, en een nog kleiner deel van het sterlicht wordt gefilterd door de buitenste lagen van de atmosfeer van de planeet.

Gassen in de atmosfeer absorberen een deel van het licht – en laten zo vingerafdrukken achter op het sterlicht in de vorm van een vermindering van de helderheid bij bepaalde kleuren of golflengten. JWST is bijzonder geschikt voor onderzoek naar de atmosfeer van exoplaneten omdat het een infraroodtelescoop is. De meeste gassen in een atmosfeer – zoals waterdamp en kooldioxide – absorberen eerder infrarood dan zichtbaar licht.

De afbeelding toont een grafiek met op de horizontale as de golflengte, oplopend van links naar rechts, en op de verticale as de hoeveelheid geblokkeerd licht, oplopend naar boven. De gegevens lijken op een hobbelige lijn.

Een van de vier afzonderlijke metingen. Elke hobbel komt overeen met een ander absorberend gas in de atmosfeer.
NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Ik maak deel uit van een internationaal team van exoplaneetwetenschappers dat JSTW gebruikt om een planeet ter grootte van Jupiter, WASP-39b, te bestuderen. In tegenstelling tot Jupiter doet deze wereld er echter maar een paar dagen over om rond zijn ster te draaien, dus hij wordt gekookt – en bereikt temperaturen van meer dan 827°C. Dit biedt ons de perfecte gelegenheid om te onderzoeken hoe de atmosfeer van een planeet zich gedraagt bij extreme temperaturen.

We hebben JWST gebruikt om het meest complete spectrum van deze fascinerende planeet te verkrijgen. In feite is ons werk de eerste chemische inventarisatie van de atmosfeer van de planeet.

We wisten al dat de atmosfeer van deze grote planeet grotendeels moest bestaan uit een mengsel van waterstof en helium – de lichtste en meest voorkomende gassen in het heelal. En de Hubble-telescoop heeft er al eerder waterdamp, natrium en kalium gedetecteerd.

Nu hebben we onze detectie kunnen bevestigen en de hoeveelheid waterdamp kunnen meten. De gegevens suggereren ook dat er andere gassen zijn, waaronder kooldioxide, koolmonoxide, en onverwacht zwaveldioxide.

Door te meten hoeveel van elk van deze gassen in de atmosfeer aanwezig is, kunnen we de relatieve hoeveelheden schatten van de elementen waaruit de gassen bestaan – waterstof, zuurstof, koolstof en zwavel. Planeten worden gevormd in een schijf van stof en gas rond een jonge ster, en we verwachten dat verschillende hoeveelheden van deze elementen beschikbaar zijn voor een baby-planeet op verschillende afstanden van de ster.

WASP-39b lijkt een relatief lage hoeveelheid koolstof ten opzichte van zuurstof te hebben, wat erop wijst dat hij waarschijnlijk op een grotere afstand van de ster is gevormd, waar hij gemakkelijk waterijs uit de schijf had kunnen absorberen (waardoor zijn zuurstof zou toenemen), vergeleken met zijn huidige zeer nabije baan. Als deze planeet is gemigreerd, zou dat ons kunnen helpen onze theorieën over planeetvorming te ontwikkelen, en het zou het idee ondersteunen dat de reuzenplaneten in ons zonnestelsel in een vroeg stadium ook heel wat hebben bewogen en geschud.

Een zwavelhoudende sleutel

De hoeveelheid zwavel die we detecteerden ten opzichte van zuurstof is vrij hoog voor WASP-39b. We zouden verwachten dat zwavel in een jong planetenstelsel meer geconcentreerd is in stukjes rots en puin dan als atmosferisch gas. Dit wijst er dus op dat WASP-39b een ongewoon aantal botsingen met zwavelhoudende brokken rots heeft ondergaan. Een deel van die zwavel zou als gas vrijkomen.

In de atmosfeer van een planeet reageren verschillende chemicaliën met elkaar in verschillende snelheden, afhankelijk van hoe heet het is. Gewoonlijk komen deze in een evenwichtstoestand terecht, waarbij de totale hoeveelheden van elk gas stabiel blijven omdat de reacties elkaar in evenwicht houden. We zijn erin geslaagd te voorspellen welke gassen we zouden zien in de atmosfeer van WASP-39b voor een reeks uitgangspunten. Maar geen van hen kwam uit op zwaveldioxide; in plaats daarvan verwachtten we dat alle zwavel zou zijn opgesloten in een ander gas, waterstofsulfide.

Een diagram dat het chemische proces toont dat waterstofsulfide omzet in zwaveldioxide.

Fotochemie op WASP-39b.
NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Center for Astrophysics-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss

Het ontbrekende stukje van de chemische puzzel was een proces dat fotochemie heet. Hierbij wordt de snelheid van bepaalde chemische reacties aangedreven door de energie van fotonen – lichtpakketjes – die van de ster komen, in plaats van door de temperatuur van de atmosfeer. Omdat WASP-39b zo heet is en reacties over het algemeen sneller verlopen bij hogere temperaturen, hadden we niet verwacht dat fotochemie zo belangrijk zou zijn als nu het geval is.

De gegevens suggereren dat waterdamp in de atmosfeer door licht wordt gesplitst in zuurstof en waterstof. Deze producten zouden dan reageren met het gas waterstofsulfide, waarbij uiteindelijk de waterstof wordt verwijderd en vervangen door zuurstof om zwaveldioxide te vormen.

Wat is de volgende stap voor JSTW?

Fotochemie is nog belangrijker op koelere planeten die bewoonbaar kunnen zijn – de ozonlaag op onze eigen planeet wordt gevormd via een fotochemisch proces. JWST zal de rotsachtige werelden in het Trappist-1 systeem tijdens het eerste jaar van zijn werking observeren. Sommige van deze metingen zijn al verricht – en al deze planeten hebben temperaturen die meer lijken op die van de aarde.

Sommige hebben misschien zelfs de juiste temperatuur om vloeibaar water aan het oppervlak te hebben, en mogelijk leven. Een goed begrip van hoe fotochemie de samenstelling van de atmosfeer beïnvloedt, zal van cruciaal belang zijn voor de interpretatie van de waarnemingen van de Webb-telescoop aan het Trappist-1-systeem. Dit is vooral belangrijk omdat een schijnbare chemische onevenwichtigheid in een atmosfeer kan duiden op de aanwezigheid van leven.

Lees meer:
Vier manieren om hints van buitenaards leven te spotten met de James Webb Space Telescope

De chemische inventaris van WASP-39b heeft ons laten zien hoe krachtig JWST is. We staan aan het begin van een spannend tijdperk in de exoplaneet wetenschap, dus blijf kijken.

The Conversation

Joanna Barstow ontvangt financiering van de Science and Technology Facilities Council. Zij is raadslid en trustee van de Royal Astronomical Society.