Sterrenkundigen hebben vreemde zandwolken ontdekt in de hete dampkring van een planeet die zelf nog het meest doet denken aan een suikerspin. De ontdekking is gedaan met het Europese MIRI-instrument aan boord van de James Webb Space Telescope.
De vondst is deze week gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature. Volgens Leen Decin van de KU Leuven, een van de drie hoofdauteurs van het artikel, zijn er de laatste jaren meer rare exoplaneten ontdekt (planeten bij andere sterren), ‘maar dit is wel een heel extreem geval.’
Andere onderzoekers reageren enthousiast op de verrassende ontdekking. ‘Deze resultaten laten zien hoe enorm divers en complex de atmosferen van exoplaneten zijn,’ zegt Sara Seager van het Massachusetts Institute of Technology, een van de prominentste exoplaneetonderzoekers ter wereld.
Haar collega Yamila Miguel van de Leidse Sterrewacht denkt er net zo over. ‘Dit soort informatie helpt ons beter te begrijpen hoe planeten werken, en hoe ze ontstaan en evolueren,’ zegt ze. Het feit dat we deze verre werelden zo gedetailleerd kunnen bestuderen en karakteriseren is volgens Miguel ‘de echte wow-factor van dit artikel’.
Lage dichtheid
De planeet waar het allemaal om draait heet WASP-107b. Hij werd in 2017 ontdekt door het Zuid-Afrikaanse station van de Wide Angle Search for Planets (WASP). Eens in de 5,7 dagen draait hij in een kleine cirkelbaan rond een ster die een slag kleiner en koeler is dan de zon, en die op zo’n 200 lichtjaar afstand staat, in het sterrenbeeld Maagd. Uit eerdere metingen is al gebleken dat WASP-107b ongeveer even groot is als de reuzenplaneet Jupiter in ons eigen zonnestelsel. Zijn massa is echter hooguit tien procent van die van Jupiter. Dat betekent dat de gemiddelde dichtheid nog aanzienlijk lager is dan die van balsahout – vandaar de bijnaam ‘suikerspinplaneet’.
Gezien vanaf de aarde beweegt WASP-107b elke omloop voor zijn moederster langs (zo is hij ook ontdekt), en tijdens zo’n ‘overgang’ wordt een klein deel van het sterlicht een beetje ‘gefilterd’ door de uitgestrekte, ijle atmosfeer van de planeet. Zo valt de samenstelling van die dampkring te bestuderen. In 2018 ontdekte de Hubble Space Telescope bijvoorbeeld al helium (het op één na lichtste element) in de dampkring van WASP-107b. Ook de aanwezigheid van waterdamp was eerder al aangetoond.
De James Webb Space Telescope (JWST), die eind 2021 werd gelanceerd, is met zijn 6,5 meter grote spiegel echter veel gevoeliger dan Hubble. Bovendien verricht hij zijn waarnemingen op infrarode golflengten – precies dat deel van het elektromagnetisch spectrum waarin veel moleculen hun spectroscopische ‘vingerafdruk’ achterlaten. ‘Het plan om WASP-107b met JWST waar te nemen dateert al van ver voor de lancering,’ zegt Decin. De waarnemingen, met het Mid-Infrared Instrument (MIRI), zijn begin dit jaar uitgevoerd.
Verrassingen
Al vrij snel was duidelijk dat WASP-107b veel verrassingen in petto had voor het onderzoeksteam. Zo bleek de dampkring veel meer zwaveldioxide (SO2) te bevatten dan verwacht. Maar volgens Decin was die verwachting gebaseerd op bestaande modelberekeningen. ‘Die bleken onvoldoende rekening te houden met het feit dat de dampkring zo enorm ijl is,’ zegt ze. ‘Sterlicht dringt daardoor makkelijker door tot op grote diepte, waardoor er ook andere scheikundige reacties plaatsvinden.’
Methaangas (CH4) werd daarentegen niet gedetecteerd, terwijl je dat juist wel zou verwachten – ook in de atmosferen van de reuzenplaneten in ons eigen zonnestelsel komt veel methaan voor. Daaruit concluderen Decin en haar collega’s dat de temperatuur in de dampkring van WASP-107b heel snel toeneemt bij grotere diepte. Terwijl de planeet aan de buitenzijde ongeveer 500 graden heet is (dankzij de kleine afstand tot de moederster – slechts 8,5 miljoen kilometer), moet de temperatuur op een diepte van zo’n duizend kilometer al minstens 1000 graden bedragen, anders zou er veel meer methaangas zijn gevormd.
Die hoge temperatuur verklaart waarschijnlijk hoe de grotendeels gasvormige planeet zo ‘opgeblazen’ is geraakt. Maar waarom de planeet zo heet is, is een raadsel, aldus Michiel Min van het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek SRON, een van de andere hoofdauteurs van het Nature-artikel. ‘Het kan geen restwarmte zijn van het ontstaan,’ zegt hij; ‘daarvoor is de planeet al te oud. Misschien spelen getijdeneffecten van de ster een rol, maar niemand weet het zeker. Er wordt nog volop gespeculeerd.’
Zandwolken
De hoge temperatuur in de wat diepere lagen van de dampkring van WASP-107b past wel heel goed bij de opzienbarende ontdekking van ‘zandwolken’ in de ijle bovenlagen. De MIRI-waarnemingen wijzen op de aanwezigheid van microscopisch kleine korreltjes van siliciumoxide (SiO) of siliciumdioxide (kwarts, SiO2) – het belangrijkste bestanddeel van zand. Met de hoge windsnelheden die hier zo goed als zeker voorkomen, zou een ruimteschip dat afdaalt in de dampkring van de planeet flink gezandstraald worden, denkt Min.
Zulke kleine vaste korreltjes dwarrelen in de ijle atmosfeer al snel weer naar beneden, dus kennelijk moet er sprake zijn van een atmosferische cyclus die in de verte een beetje doet denken aan de watercyclus op aarde. Op een diepte van rond de duizend kilometer verdampen de neerdwarrelende korreltjes door de hoge temperatuur. De resulterende gasmoleculen worden vervolgens door verticale bewegingen in de atmosfeer omhoog gebracht, waar ze weer condenseren tot vaste deeltjes.
‘Dat klinkt heel aannemelijk,’ aldus Sara Seager, die het bestaan van dit soort wolken in het jaar 2000 al voorspelde. Dat ze ook ooit echt waargenomen zouden worden, leek ruim twintig jaar geleden verre toekomstmuziek. Dankzij de James Webb Space Telescope is het onderzoek echter in een stroomversnelling gekomen. ‘Tegenwoordig volgen de ontdekkingen rond de atmosferen van exoplaneten elkaar zo snel op dat het haast niet meer bij te houden is,’ zegt Seager.
Raadsels
Onbeantwoorde vragen blijven er overigens nog volop. Hoe planeten zoals WASP-107b zo sterk ‘opgeblazen’ raken, is volgens Yamila Miguel nog steeds ‘onbekend en onderwerp van debat.’ Ook weet niemand of dit soort ‘hete Jupiters’ een vaste kern hebben, en waar die dan uit bestaat. ‘Over de kernen van de reuzenplaneten in ons eigen zonnestelsel is al vrijwel niets bekend,’ zegt Miguel, ‘laat staan over die van verre exoplaneten.’
Wel staat vast dat WASP-107b onder invloed van de ultraviolette straling van zijn moederster langzaam maar zeker aan het ‘verdampen’ is. Wie weet blijft er uiteindelijk een dampkringloze ‘super-aarde’ achter, speculeert Michiel Min. Seager durft er geen uitspraken over te doen. ‘Ik ben geneigd te denken dat deze raadselachtige planeet nog lange tijd al onze verklaringen zal blijven tarten.’
