Een nieuw onderzoek met NASA's James Webb ruimtetelescoop naar K2-18 b, een exoplaneet die 8,6 keer zo massief is als de aarde, heeft de aanwezigheid van koolstofhoudende moleculen aan het licht gebracht, waaronder methaan en koolstofdioxide. De ontdekking van Webb is een aanvulling op recente studies die suggereren dat K2-18 b een Hycean exoplaneet zou kunnen zijn, een exoplaneet die het potentieel heeft om een waterstofrijke atmosfeer en een met water oceanen bedekt oppervlak te bezitten.
Het eerste inzicht in de atmosferische eigenschappen van deze exoplaneet uit de bewoonbare zone werd verkregen door waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van de NASA. Deze waarnemingen hebben geleid tot verdere studies die ons begrip van het systeem hebben veranderd. K2-18 b draait om de koele dwergster K2-18 in de bewoonbare zone en bevindt zich op 120 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Leeuw. Exoplaneten zoals K2-18 b, die tussen die van de aarde en Neptunus in liggen, lijken op niets in ons zonnestelsel. Dit gebrek aan gelijkwaardige planeten in de buurt betekent dat deze 'sub-Neptunussen' slecht worden begrepen en dat de aard van hun atmosfeer onderwerp is van actieve discussie onder astronomen. De suggestie dat de sub-Neptunus K2-18 b een Hyceaanse exoplaneet zou kunnen zijn is intrigerend, omdat sommige astronomen geloven dat deze werelden veelbelovende omgevingen zijn om te zoeken naar bewijs voor leven op exoplaneten.
"Onze bevindingen onderstrepen het belang om rekening te houden met diverse bewoonbare omgevingen bij de zoektocht naar leven elders," legt Nikku Madhusudhan uit, een astronoom aan de Universiteit van Cambridge en hoofdauteur van het artikel waarin deze resultaten worden aangekondigd. "Traditioneel is de zoektocht naar leven op exoplaneten vooral gericht op kleinere rotsachtige planeten, maar de grotere Hyceaanse werelden zijn aanzienlijk beter geschikt voor atmosferische waarnemingen." De overvloed aan methaan en koolstofdioxide en het tekort aan ammoniak ondersteunen de hypothese dat er mogelijk een wateroceaan onder een waterstofrijke atmosfeer in K2-18 b zit. Deze eerste Webb-waarnemingen leverden ook een mogelijke detectie op van een molecuul dat dimethylsulfide (DMS) wordt genoemd. Op aarde wordt dit alleen geproduceerd door leven. Het grootste deel van het DMS in de aardatmosfeer wordt uitgestoten door fytoplankton in mariene milieus.
De conclusie van DMS is minder robuust en moet verder worden gevalideerd. "Komende Webb-waarnemingen moeten kunnen bevestigen of DMS inderdaad in significante hoeveelheden aanwezig is in de atmosfeer van K2-18 b," legt Madhusudhan uit. Hoewel K2-18 b zich in de bewoonbare zone bevindt en het nu bekend is dat er koolstofhoudende moleculen aanwezig zijn, betekent dit niet noodzakelijkerwijs dat de planeet leven kan ondersteunen. De grote omvang van de planeet - met een straal die 2,6 keer zo groot is als die van de aarde - betekent dat het inwendige van de planeet waarschijnlijk een grote mantel van hogedrukijs bevat, zoals bij Neptunus, maar met een dunnere waterstofrijke atmosfeer en een oceaanoppervlak. Van hyceanische werelden wordt voorspeld dat ze oceanen van water hebben. Het is echter ook mogelijk dat de oceaan te heet is om bewoonbaar of vloeibaar te zijn.
"Hoewel dit soort planeten in ons zonnestelsel niet voorkomt, zijn sub-Neptunes het meest voorkomende type planeet dat tot nu toe bekend is in het sterrenstelsel," legt teamlid Subhajit Sarkar van de Universiteit van Cardiff uit. "We hebben het meest gedetailleerde spectrum van een sub-Neptunus uit de bewoonbare zone tot nu toe verkregen, waardoor we de moleculen in zijn atmosfeer konden berekenen."
Het karakteriseren van de atmosferen van exoplaneten zoals K2-18 b - dat wil zeggen het identificeren van hun gassen en fysische omstandigheden - is een zeer actief gebied in de sterrenkunde. Deze planeten worden echter - letterlijk - overschaduwd door de schittering van hun veel grotere moedersterren, waardoor het bijzonder lastig is om de atmosferen van exoplaneten te onderzoeken. Het team heeft deze uitdaging omzeild door het licht van de moederster van K2-18 b te analyseren terwijl het door de atmosfeer van de exoplaneet ging. K2-18 b is een transiterende exoplaneet, wat betekent dat we een afname in helderheid kunnen waarnemen wanneer deze over het oppervlak van zijn gastheerster beweegt. Zo werd de exoplaneet in 2015 voor het eerst ontdekt met de K2-missie van NASA. Dit betekent dat tijdens de overgang een klein deel van het sterlicht door de atmosfeer van de exoplaneet gaat voordat het telescopen zoals Webb bereikt. De passage van het sterlicht door de atmosfeer van de exoplaneet laat sporen achter die astronomen kunnen samenvoegen om de gassen van de atmosfeer van de exoplaneet te bepalen.
"Dit resultaat was alleen mogelijk dankzij het uitgebreide golflengtebereik en de ongekende gevoeligheid van Webb, die robuuste detectie van spectrale kenmerken met slechts twee doorgangen mogelijk maakte," zei Madhusudhan. "Ter vergelijking: één transitwaarneming met Webb leverde een vergelijkbare precisie op als acht waarnemingen met Hubble, uitgevoerd over een paar jaar en in een relatief smal golflengtebereik."
"Deze resultaten zijn het resultaat van slechts twee waarnemingen van K2-18 b, en er zijn er nog veel meer onderweg," legt teamlid Savvas Constantinou van de Universiteit van Cambridge uit. "Dit betekent dat ons werk hier slechts een vroege demonstratie is van wat Webb kan waarnemen in bewoonbare exoplaneten." De resultaten van het team zijn geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal Letters.
Het team is nu van plan om vervolgonderzoek uit te voeren met de MIRI (Mid-Infrared Instrument) spectrograaf van de telescoop. Ze hopen dat dit hun bevindingen verder zal valideren en nieuwe inzichten zal opleveren in de omgevingsomstandigheden op K2-18 b. "Ons uiteindelijke doel is de identificatie van leven op een bewoonbare exoplaneet, wat ons begrip van onze plaats in het heelal zou veranderen," concludeerde Madhusudhan. "Onze bevindingen zijn een veelbelovende stap naar een dieper begrip van Hyceaanse werelden in deze zoektocht."
De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en het Canadese ruimteagentschap.
Bron: NASA
