Hoewel ze niet rond onze zon draaien, zijn zogeheten 'sub-Neptunes' het meest voorkomende type exoplaneet, of planeet buiten ons zonnestelsel, dat in ons melkwegstelsel is waargenomen. Deze kleine, gasvormige planeten zijn gehuld in mysterie... en vaak in een waas. Door exoplaneet TOI-421 b waar te nemen, helpt NASA's James Webb Space Telescope wetenschappers om sub-Neptunes exoplaneten te begrijpen op een manier die voor de lancering van de ruimtetelescoop niet mogelijk was.
“Ik heb mijn hele carrière gewacht op de James Webb ruimtetelescoop, zodat we de atmosferen van deze kleinere planeten zinvol konden karakteriseren”, zegt hoofdonderzoeker Eliza Kempton van de Universiteit van Maryland, College Park. “Door hun atmosferen te bestuderen, begrijpen we beter hoe sub-Neptunes zijn ontstaan en geëvolueerd, en een deel daarvan is begrijpen waarom ze niet in ons zonnestelsel voorkomen.”
Klein, koel, gehuld in nevel
Het bestaan van sub-Neptunes planeten was onverwacht voordat ze in de afgelopen tien jaar werden ontdekt door de Kepler ruimtetelescoop, die met pensioen is gegaan. Nu proberen astronomen te begrijpen waar deze planeten vandaan komen en waarom ze zo vaak voorkomen. Vóór Webb hadden wetenschappers maar heel weinig informatie over deze planeten. Hoewel sub-Neptunes een paar keer groter zijn dan de aarde, zijn ze nog steeds veel kleiner dan gasreuzen en meestal koeler dan hete Jupiters, waardoor ze veel moeilijker te observeren zijn dan hun gasreuzen. Een belangrijke bevinding vóór Webb was dat de meeste sub-Neptunusatmosferen vlakke of karakterloze transmissiespectra hadden. Dit betekent dat wanneer wetenschappers het spectrum van de planeet observeerden terwijl deze voor zijn gastheerster langs bewoog, ze in plaats van spectrale kenmerken, de chemische vingerafdrukken die de samenstelling van de atmosfeer onthullen, alleen een vlak spectrum zagen. Astronomen concludeerden uit al die vlakke spectra dat ten minste bepaalde sub-Neptunes waarschijnlijk erg bedekt waren door wolken of nevels.
Een ander soort Sub-Neptunus?
"Waarom hebben we deze planeet, TOI-421 b, geobserveerd? Omdat we dachten dat hij misschien geen nevels zou hebben," zei Kempton. “En de reden is dat er enkele eerdere gegevens waren die impliceerden dat planeten boven een bepaald temperatuurbereik misschien minder door nevel of wolken werden omhuld dan andere.” Die temperatuurgrens is ongeveer 1.070 graden Fahrenheit. Daaronder veronderstelden de wetenschappers dat een complexe reeks fotochemische reacties zou optreden tussen zonlicht en methaangas, en dat zou de waas veroorzaken. Maar hetere planeten zouden geen methaan moeten hebben en daarom misschien ook geen waas. De temperatuur van TOI-421 b is ongeveer 1.340 graden Fahrenheit, ruim boven de veronderstelde drempelwaarde. Zonder waas of wolken verwachtten onderzoekers een heldere atmosfeer te zien, en dat is ook zo!
Een verrassende ontdekking
“We zagen spectrale kenmerken die we toeschrijven aan verschillende gassen en dat stelde ons in staat om de samenstelling van de atmosfeer te bepalen,” zegt Brian Davenport van de Universiteit van Maryland, een derdejaars promovendus die de primaire gegevensanalyse uitvoerde. “Bij veel van de andere sub-Neptunes die eerder zijn waargenomen, weten we dat hun atmosferen ergens van gemaakt zijn, maar worden ze tegengehouden door waas.” Het team vond waterdamp in de atmosfeer van de planeet, evenals voorlopige tekenen van koolmonoxide en zwaveldioxide. Dan zijn er nog moleculen die ze niet hebben gedetecteerd, zoals methaan en kooldioxide. Uit de gegevens kunnen ze ook afleiden dat de atmosfeer van TOI-421 b een grote hoeveelheid waterstof bevat. De lichtgewicht waterstofatmosfeer was de grote verrassing voor de onderzoekers. “We hadden ons onlangs ingesteld op het idee dat de eerste paar sub-Neptunes die Webb had waargenomen atmosferen met zware moleculen hadden, dus dat was onze verwachting geworden, en toen vonden we het tegenovergestelde,” zei Kempton. Dit suggereert dat TOI-421 b misschien anders is gevormd en geëvolueerd dan de koelere sub-Neptunes die eerder zijn waargenomen.
Is TOI-421 b uniek?
De door waterstof gedomineerde atmosfeer is ook interessant omdat deze de samenstelling van de gastheerster van TOI-421 b nabootst. "Als je hetzelfde gas zou nemen dat de ster heeft gemaakt, het bovenop de atmosfeer van een planeet zou leggen en het op de veel koelere temperatuur van deze planeet zou brengen, zou je dezelfde combinatie van gassen krijgen. Dat proces komt meer overeen met de reuzenplaneten in ons zonnestelsel en verschilt van andere sub-Neptunes die tot nu toe met Webb zijn waargenomen," aldus Kempton. TOI-421 b is niet alleen heter dan andere sub-Neptunes die eerder met Webb zijn waargenomen, maar draait ook om een zonachtige ster. De meeste andere sub-Neptunes die tot nu toe zijn waargenomen draaien om kleinere, koelere sterren die rode dwergen worden genoemd. Is TOI-421 b emblematisch voor hete sub-Neptunes die rond zonachtige sterren draaien, of is het gewoon zo dat exoplaneten heel divers zijn? Om daar achter te komen, willen de onderzoekers meer hete sub-Neptunes observeren om vast te stellen of dit een uniek geval is of een bredere trend. Ze hopen inzicht te krijgen in de vorming en evolutie van deze veel voorkomende exoplaneten. “We hebben een nieuwe manier gevonden om naar deze sub-Neptunes te kijken,” zei Davenport. "Deze planeten met een hoge temperatuur zijn goed te karakteriseren. Dus door naar sub-Neptunes van deze temperatuur te kijken, hebben we misschien meer kans om ons vermogen om meer over deze planeten te leren te versnellen."
Bron: NASA
