Robijnwolken en water dat zich vreemd gedraagt wat we

Robijnwolken en water dat zich vreemd gedraagt – wat we ontdekten toen we de donkere kant van een exoplaneet bestudeerden

Een artist's impressie van de donkere kant van de ultrahete Jupiter WASP-121b. Credit: Patricia Klein / MPIA, CC BY-SA

Sinds astronomen de eerste planeet ontdekten die rond een andere ster dan de zon draaide, hebben we veel werelden gevonden die heel anders zijn dan die in ons eigen zonnestelsel. Een groot aantal van deze “exoplaneten” zijn grote, gasvormige planeten, ongeveer zo groot als Jupiter, die eens in de paar dagen in een baan dicht bij hun moederster draaien.

Hoewel we deze “hete Jupiters” niet direct kunnen zien, omdat ze verborgen zijn in het schijnsel van hun moedersterren, zijn ze de gemakkelijkste planeten om op te sporen met de transit-methode. Deze methode werkt door hun aanwezigheid indirect af te leiden wanneer ze voor hun moederster langs trekken, waardoor een deel van het sterlicht wordt tegengehouden.

Tijdens de overgang kunnen we ook de samenstelling van de atmosfeer meten door verschillende gassen te detecteren in het sterlicht dat door de atmosfeer is gefilterd. Maar dit vertelt ons alleen iets over de omstandigheden in één regio van de planeet. In een nieuwe studie van de exoplaneet met de naam WASP-121b, gepubliceerd in Nature Astronomy, is het gelukt om de globale atmosfeer van een hete Jupiter direct te onderzoeken in ongekend detail.

Planeten die heel dicht bij hun moederster draaien, zijn aan één kant permanent in het daglicht en aan de andere in de eeuwige nacht vergrendeld. Afhankelijk van hoe dicht die omloopbaan precies is, kan de “dagzijde” extreem hoge temperaturen bereiken – soms zelfs hoger dan die van de koelste sterren. We kunnen de temperatuur van de dagzijde meten door het verschil uit te rekenen in de totale hoeveelheid licht tussen de ster en de planeet samen en de ster op zichzelf.

WASP-121b werd in 2015 ontdekt door de SuperWASP-telescoop. Zijn dagzijde bereikt temperaturen van meer dan 2.500 K (2.226,85°C). Gasreuzenplaneten bestaan grotendeels uit moleculaire waterstof en helium, met kleine sporen van andere gassen, zoals waterdamp. Maar bij zulke extreme temperaturen kunnen moleculen uiteenvallen in afzonderlijke atomen, en kunnen de elektronen zelfs worden losgescheurd van de atoomkern – wat leidt tot atmosferische chemie die drastisch verschilt van wat we op andere planeten zien.

Een grote vraag is echter wat er gebeurt aan de donkere “nachtzijde” van een ultrahete planeet als WASP-121b. Deze kant ontvangt geen sterlicht maar staart voor eeuwig in de ijskoude diepten van de ruimte. De enige manier waarop het kan worden opgewarmd is door winden in de atmosfeer van de planeet die warmte van de dagzijde meevoeren. Maar zelfs met zeer sterke winden verwachten we dat er bij de heetste planeten enorme temperatuurverschillen zullen zijn tussen de dag- en nachtzijde, en dat zal waarschijnlijk ook gevolgen hebben voor chemische processen in de atmosfeer.

De enige manier om te weten te komen wat er aan de nachtzijde gebeurt, is te proberen de planeet en de ster samen gedurende tenminste één volledige omloopbaan waar te nemen. We kunnen dan de zeer kleine veranderingen meten in het licht dat van het systeem komt op verschillende golflengten, als verschillende kanten van de planeet in beeld draaien.

Dit stelt ons in staat de gaslaag aan het oppervlak van de planeet in kaart te brengen en de omstandigheden overdag en ’s nachts te vergelijken. Het is op dit moment alleen mogelijk voor een handjevol planeten, omdat de signalen die we zoeken zo klein zijn. Maar met de onlangs gelanceerde James Webb Space Telescope (JWST) moet het mogelijk zijn om het op grotere schaal toe te passen.

Robijnwolken en water dat zich vreemd gedraagt wat we.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip

Schema van een planeet rond zijn ster en het licht dat van het systeem komt naargelang zijn positie.
(ESA)

Ons team kon deze meting van WASP-121b doen door twee volledige omloopbanen van de planeet waar te nemen met de Hubble-ruimtetelescoop. We gebruikten een instrument op de Hubble dat kijkt naar het nabij-infrarode deel van het lichtspectrum, dat gevoelig is voor waterdamp in de atmosfeer van de planeet. We hebben de waarnemingen in elke fase van de omloopbaan vergeleken met computergegenereerde modellen om de hoeveelheid aanwezige waterdamp en de temperatuur op verschillende hoogten in dat deel van de atmosfeer te meten.

Watercyclus en wolken

We ontdekten dat de temperaturen tussen dag en nacht meer dan 1.000K (726,85°C) verschillen, van ongeveer 1.500K (1.226,85°C) aan de nachtzijde tot ruim 2.500K (2.226,85°C) op grotere hoogten aan de dagzijde. Door het extreme temperatuurverschil is de hoeveelheid waterdamp hoog aan de dagzijde kleiner dan aan de nachtzijde – moleculen vallen uiteen onder de extreme temperaturen aan de dagzijde, maar komen weer samen wanneer de lucht afkoelt en zich naar de nachtzijde beweegt.

Dit betekent dat WASP-121b iets heeft dat lijkt op een watercyclus. Maar in plaats van dat het water condenseert tot een vloeistof en wolken vormt voordat het verdampt als een gas, zoals het op Aarde doet, zijn het op WASP-121b de watermoleculen zelf die vernietigd worden en dan weer opnieuw gevormd worden.

Dat wil niet zeggen dat er geen wolken zijn. Aan de nachtzijde is de planeet in ieder geval koel genoeg om mineralen – verbindingen die op aarde meestal in vast gesteente worden aangetroffen, maar in de atmosferen van ultrahete planeten als gassen zijn waargenomen – te laten condenseren en wolken te laten vormen. De hemel aan de donkere kant van WASP-121b kan zelfs gekleurd zijn met robijnen of saffieren, omdat uit onze metingen blijkt dat de atmosfeer de juiste temperatuur heeft voor het edelsteenvormende mineraal korund om te condenseren in kleine, stoffige deeltjes.

Het observeren van de watercyclus van WASP-121b helpt om enkele van onze voorspellingen over extreem hete planeten te bevestigen, en geeft ons ook de kans om meer te leren over hoe atmosferen zich onder deze omstandigheden gedragen. De volgende stap is om dezelfde metingen bij meer planeten te doen en de resultaten die we zien te vergelijken. We kijken er naar uit om dat met JWST te doen, en ook om onze metingen voor WASP-121b te herhalen om een nog duidelijker beeld te krijgen.

The Conversation

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