Onderzoekers die gebruikmaken van de James Webb-ruimtetelescoop hebben het sterkste bewijs tot nu toe gevonden voor een atmosfeer op een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel, terwijl NASA wereldwijd vooroploopt in het verkennen van het heelal, van de maan tot Mars en verder. Waarnemingen van de ultrahete superaarde TOI-561 b suggereren dat de exoplaneet wordt omgeven door een dikke laag gassen boven een wereldwijde magma-oceaan. De resultaten helpen de ongewoon lage dichtheid van de planeet te verklaren en dagen de heersende opvatting uit dat relatief kleine planeten die zo dicht bij hun sterren staan, geen atmosfeer kunnen behouden.
Met een straal die ongeveer 1,4 keer zo groot is als die van de aarde en een omlooptijd van minder dan 11 uur, behoort TOI-561 b tot een zeldzame klasse van objecten die bekend staan als exoplaneten met een ultrakorte omlooptijd. Hoewel zijn moederster slechts iets kleiner en koeler is dan de zon, draait TOI-561 b zo dicht om de ster, minder dan een miljoen mijl (een veertigste van de afstand tussen Mercurius en de zon), dat hij getijdelijk gebonden moet zijn, waarbij de temperatuur van zijn permanente dagzijde veel hoger is dan de smelttemperatuur van typisch gesteente. “Wat deze planeet echt onderscheidt, is zijn abnormaal lage dichtheid”, aldus Johanna Teske, wetenschapper bij het Carnegie Science Earth and Planets Laboratory en hoofdauteur van een artikel dat donderdag is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. “Het is geen superbol, maar hij is minder dicht dan je zou verwachten als hij een aardachtige samenstelling had.”
Een verklaring die het team overwogen voor de lage dichtheid van de planeet was dat deze een relatief kleine ijzeren kern zou kunnen hebben en een mantel van gesteente dat niet zo dicht is als gesteente in de aarde. Teske merkt op dat dit logisch zou kunnen zijn: “TOI-561 b onderscheidt zich van andere planeten met een ultrakorte omlooptijd doordat hij rond een zeer oude (twee keer zo oud als de zon) ijzerarme ster draait in een gebied van de Melkweg dat bekend staat als de dikke schijf. Hij moet zijn ontstaan in een chemische omgeving die sterk verschilt van die van de planeten in ons eigen zonnestelsel.” De samenstelling van de planeet zou representatief kunnen zijn voor planeten die zijn ontstaan toen het heelal nog relatief jong was. Maar een exotische samenstelling kan niet alles verklaren. Het team vermoedde ook dat TOI-561 b omgeven zou kunnen zijn door een dikke atmosfeer, waardoor hij groter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Hoewel kleine planeten die miljarden jaren lang zijn gebakken in brandende sterrenstraling naar verwachting geen atmosfeer hebben, vertonen sommige tekenen dat ze niet alleen uit kale rotsen of lava bestaan.
Om de hypothese te testen dat TOI-561 b een atmosfeer heeft, gebruikte het team Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) om de temperatuur aan de dagzijde van de planeet te meten op basis van de helderheid in het nabije infrarood. Deze techniek, waarbij de afname in helderheid van het ster-planeetsysteem wordt gemeten terwijl de planeet achter de ster langs beweegt, is vergelijkbaar met de techniek die wordt gebruikt om atmosferen te zoeken in het TRAPPIST-1-systeem en op andere rotsachtige werelden. Als TOI-561 b een kale rots is zonder atmosfeer die warmte naar de nachtzijde transporteert, zou de temperatuur aan de dagzijde bijna 4900 graden Fahrenheit (2700 graden Celsius) moeten bedragen. Maar uit de NIRSpec-waarnemingen blijkt dat de temperatuur aan de dagzijde van de planeet dichter bij 3200 graden Fahrenheit (1800 graden Celsius) ligt, nog steeds extreem heet, maar veel koeler dan verwacht.
Om de resultaten te verklaren, heeft het team een aantal verschillende scenario's overwogen. De magmaoceaan zou enige warmte kunnen circuleren, maar zonder atmosfeer zou de nachtzijde waarschijnlijk vast zijn, waardoor de stroming vanaf de dagzijde zou worden beperkt. Een dunne laag rotsdamp op het oppervlak van de magmaoceaan is ook mogelijk, maar zou op zichzelf waarschijnlijk een veel kleiner koelend effect hebben dan waargenomen. “We hebben echt een dikke, vluchtige atmosfeer nodig om alle waarnemingen te verklaren”, aldus Anjali Piette, coauteur van de Universiteit van Birmingham, Verenigd Koninkrijk. "Sterke winden zouden de dagzijde afkoelen door warmte naar de nachtzijde te transporteren. Gassen zoals waterdamp zouden bepaalde golflengten van nabij-infrarood licht absorberen die door het oppervlak worden uitgezonden, voordat ze helemaal door de atmosfeer heen komen. (De planeet zou er kouder uitzien omdat de telescoop minder licht detecteert.) Het is ook mogelijk dat er heldere silicaatwolken zijn die de atmosfeer afkoelen door sterrenlicht te reflecteren." Hoewel de waarnemingen van Webb overtuigend bewijs leveren voor een dergelijke atmosfeer, blijft de vraag: hoe kan een kleine planeet die aan zulke intense straling wordt blootgesteld, überhaupt een atmosfeer vasthouden, laat staan een zo substantiële? Sommige gassen moeten naar de ruimte ontsnappen, maar misschien niet zo efficiënt als verwacht.
“We denken dat er een evenwicht bestaat tussen de magmaoceaan en de atmosfeer. Terwijl gassen uit de planeet komen om de atmosfeer te voeden, zuigt de magmaoceaan ze weer terug naar binnen”, aldus coauteur Tim Lichtenberg van de Rijksuniversiteit Groningen. “Deze planeet moet veel, veel meer vluchtige stoffen bevatten dan de aarde om de waarnemingen te verklaren. Het is echt een soort natte lavaball.” Dit zijn de eerste resultaten van Webb's General Observers Program 3860, waarbij het systeem meer dan 37 uur lang continu werd geobserveerd terwijl TOI-561 b bijna vier volledige banen om de ster voltooide. Het team analyseert momenteel de volledige dataset om de temperatuur rondom de planeet in kaart te brengen en de samenstelling van de atmosfeer te bepalen. “Het spannende is dat deze nieuwe dataset nog meer vragen oproept dan hij beantwoordt”, aldus Teske.
Bron: NASA
