Webb vindt voor het eerst atmosfeer op een rotsachtige exoplaneet

Gas dat opstijgt uit een met lava bedekt oppervlak op 55 Cancri e kan een atmosfeer voeden die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide.

Tegenwoordig lijkt het misschien niet zo erg om de atmosfeer van een planeet op tientallen of zelfs honderden lichtjaren van de aarde te detecteren. Wetenschappers hebben de afgelopen twintig jaar bewijs gevonden voor atmosferen rond tientallen exoplaneten. Het probleem is dat al deze planeten een dikke, door waterstof gedomineerde atmosfeer hebben die relatief eenvoudig te bestuderen is. De dunne gasdekens rond enkele kleine, rotsachtige exoplaneten zijn ongrijpbaar gebleven.

Onderzoekers denken dat ze eindelijk een glimp hebben opgevangen van de rijke, vluchtige atmosfeer rond een rotsachtige planeet. Het licht dat door warme gebieden wordt uitgestraald, is zeer stralend Exoplaneet 55 Cancri e toont overtuigend bewijs van een atmosfeer, mogelijk rijk aan kooldioxide of koolmonoxide, die zou vloeien uit een enorme oceaan van lava die het oppervlak van de planeet bedekt.

Het resultaat is het beste bewijs tot nu toe van het bestaan ​​van een atmosfeer voor een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel.

Het concept van deze kunstenaar laat zien hoe exoplaneet 55 Cancri e eruit zou kunnen zien. Ook wel Janssen genoemd, 55 Cancri e is een zogenaamde superaarde, een rotsachtige planeet die veel groter is dan de aarde maar kleiner dan Neptunus, die op een afstand van slechts 1,4 miljoen mijl (0,015 AU) om zijn ster draait en een volledige baan voltooit. In minder dan 18 uur. (Mercurius staat 25 keer verder van de zon dan zijn ster, 55 Cancri e). Dit systeem, dat ook vier grote gasreuzenplaneten omvat, bevindt zich op ongeveer 41 lichtjaar van de aarde, in het sterrenbeeld Kreeft. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

De Webb-ruimtetelescoop duidt op een mogelijke atmosfeer rond een rotsachtige exoplaneet

Onderzoekers gebruiken NASA‘S James Webb-ruimtetelescoop Mogelijk hebben ze atmosferische gassen gedetecteerd rond 55 Cancri e, een hete, rotsachtige exoplaneet op 41 lichtjaar van de aarde. Dit is het beste bewijs tot nu toe dat elke rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel een atmosfeer heeft.

Renew is afkomstig van het Jet Propulsion Laboratory van NASA (Laboratorium voor straalaandrijving) in Pasadena, Californië, is de hoofdauteur van een artikel dat op 8 mei is gepubliceerd natuur. “Webb verlegt de grenzen van het karakteriseren van exoplaneten tot rotsachtige planeten,” zei Hu. “Het maakt echt een nieuw soort wetenschap mogelijk.”

Superhete aarde 55 Cancri E

55 Cancri e, ook bekend als Janssen, is een van de vijf bekende planeten die rond de zonachtige ster 55 Cancri draaien, in het sterrenbeeld Kreeft. Met een diameter die bijna tweemaal zo groot is als die van de aarde en een iets grotere dichtheid, wordt de planeet geclassificeerd als een superaarde: groter dan de aarde en kleiner dan de aarde. NeptunusZe zijn waarschijnlijk qua samenstelling vergelijkbaar met de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel.

Het omschrijven van de 55 Cancri e als ‘rotsachtig’ zou echter een verkeerde indruk kunnen achterlaten. De planeet draait dicht bij zijn ster (ongeveer 2,2 miljoen kilometer, oftewel 20/25 van de afstand tussen Mercurius en de zon), en het oppervlak is waarschijnlijk gesmolten: een borrelende oceaan van magma. Met zo’n krappe baan is de planeet waarschijnlijk ook getijde-gesloten, met de dagzijde altijd naar de ster gericht en de nachtzijde in voortdurende duisternis.

Ondanks talloze waarnemingen sinds de ontdekking van de transit in 2011, blijft de vraag of 55 Cancri e al dan niet een atmosfeer heeft – of zelfs zou kunnen Eén ervan is onbeantwoord gebleven vanwege de hoge temperatuur en de constante aanval van stellaire straling en winden van zijn ster.

“Ik werk al meer dan tien jaar op deze planeet”, zegt Diana Dragomir, exoplaneetonderzoeker aan de Universiteit van New Mexico en co-auteur van het onderzoek. “Het was echt frustrerend dat geen van de feedback die we kregen een solide oplossing voor deze mysteries opleverde. Ik ben blij dat we eindelijk antwoorden hebben!”

In tegenstelling tot de atmosferen van gasreuzenplaneten, die relatief eenvoudig te detecteren zijn ( Het werd voor het eerst onthuld Door NASA Hubble-ruimtetelescoop Al meer dan twintig jaar zijn de dunnere, dichtere atmosferen rond rotsachtige planeten ongrijpbaar gebleven.

Eerdere studies over 55 Cancri e met behulp van gegevens van NASA’s inmiddels gepensioneerde Spitzer-ruimtetelescoop hebben de aanwezigheid gesuggereerd van een grote atmosfeer die rijk is aan vluchtige stoffen (moleculen die op aarde in gasvorm worden aangetroffen) zoals zuurstof, stikstof en kooldioxide. Maar onderzoekers konden een andere mogelijkheid niet uitsluiten: dat de planeet leeg is, op een fragiele deken van verdampt gesteente na, rijk aan elementen als silicium, ijzer, aluminium en calcium. “De planeet is zo heet dat een deel van het gesmolten gesteente moet zijn verdampt”, legde Ho uit.

Deze lichtcurve toont de verandering in helderheid van het 55 Cancri-systeem, terwijl de rotsachtige planeet 55 Cancri e, de dichtstbijzijnde van de vijf bekende planeten in het systeem, achter de ster beweegt. Dit fenomeen staat bekend als een secundaire zonsverduistering.
Wanneer de planeet zich dichtbij de ster bevindt, bereikt het midden-infraroodlicht van zowel de ster als de dagzijde van de planeet de telescoop, waardoor het systeem helderder lijkt. Wanneer de planeet zich achter de ster bevindt, wordt het licht van de planeet geblokkeerd en bereikt alleen het licht van de ster de telescoop, wat resulteert in een afname van de schijnbare helderheid.
Astronomen kunnen de helderheid van een ster aftrekken van de gecombineerde helderheid van de ster en de planeet om de hoeveelheid infrarood licht te berekenen die van de dagzijde van de planeet komt. Dit wordt vervolgens gebruikt om de dagtemperatuur te berekenen en af ​​te leiden of de planeet al dan niet een atmosfeer heeft.
Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Meet subtiele verschillen in infraroodkleuren

Om onderscheid te maken tussen de twee mogelijkheden, gebruikte het team Webb’s NIRCam (nabij-infraroodcamera) en MIRI (midden-infraroodinstrument) om infraroodlicht van 4 tot 12 micron te meten dat van de planeet kwam.

Hoewel Webb geen directe opname van 55 Cancri e kan maken, kan hij wel subtiele veranderingen in het licht van het systeem meten terwijl de planeet om de ster draait.

Door de helderheid tijdens een secundaire zonsverduistering (zie afbeelding hierboven), wanneer de planeet achter de ster staat (alleen sterrenlicht), af te trekken van de helderheid wanneer de planeet vlak naast de ster staat (licht van de ster en de planeet samen), heeft het team was in staat om de hoeveelheid verschillende golflengten van infraroodstraling te berekenen die van de dagzijde van de planeet kwam.

Deze methode, bekend als secundaire eclipsspectroscopie, is vergelijkbaar met de methode die door andere onderzoeksteams wordt gebruikt om naar atmosferen op andere rotsachtige exoplaneten te zoeken, zoals TRAPPIST-1 b.

Het thermische emissiespectrum vastgelegd door Webb NIRCam (Near Infrared Camera) in november 2022 en MIRI (Mid-Infrared Instrument) in maart 2023 toont de helderheid (y-as) van verschillende golflengten van uitgezonden infrarood licht (x-as). Door de gigantische exoplaneet 55 Cancri e. Het spectrum laat zien dat de planeet mogelijk omgeven is door een atmosfeer die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide en andere vluchtige stoffen, en niet alleen aan verdampt gesteente.
De grafiek vergelijkt gegevens verzameld door NIRCam (oranje stippen) en MIRI (paarse stippen) met twee verschillende modellen. Model A, in rood, laat zien hoe het emissiespectrum van 55 Cancri e eruit zou moeten zien als het een atmosfeer had die gemaakt was van verdampend gesteente. Model B, in het blauw, laat zien hoe het emissiespectrum eruit zou moeten zien als de planeet een atmosfeer zou hebben die rijk is aan vluchtige stoffen, uitgestoten door een magma-oceaan met een vluchtige inhoud die vergelijkbaar is met de aardmantel. MIRI- en NIRCam-gegevens komen overeen met het volatiele-rijke model.
De hoeveelheid midden-infraroodlicht dat door de planeet (MIRI) wordt uitgezonden, laat zien dat de dagtemperatuur veel lager is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn die warmte van de dagzijde naar de nachtzijde verspreidt. De dip in het spectrum tussen 4 en 5 micron (NIRCam-gegevens) kan worden verklaard door de absorptie van die golflengten door koolmonoxide- of kooldioxidemoleculen in de atmosfeer.
Beeldcredits: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Universiteit van Chicago), Mantas Zielinskas (SRON)

Kouder dan verwacht

De eerste indicatie dat 55 Cancri e een aanzienlijke atmosfeer zou kunnen hebben, kwam van temperatuurmetingen op basis van de thermische emissie (zie afbeelding hierboven), of thermische energie die werd uitgezonden in de vorm van infrarood licht. Als de planeet bedekt zou zijn met donker, gesmolten gesteente met een dunne sluier van verdampt gesteente of helemaal geen atmosfeer, zou de dagzijde ongeveer 4000 graden moeten zijn F (~2200 graden Celsius).

“In plaats daarvan lieten de MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur zien van ongeveer 2800 graden Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]Hij zei. “Dit is een zeer sterke indicatie dat energie van de dagzijde naar de nachtzijde wordt gedistribueerd, hoogstwaarschijnlijk via een vluchtige, rijke atmosfeer.” Hoewel lavastromen enige warmte naar de nachtzijde kunnen transporteren, kunnen ze deze niet efficiënt genoeg verplaatsen om rekening te houden met het verkoelende effect.

Toen het team naar de NIRCam-gegevens keek, zagen ze patronen die consistent waren met een rijke, vluchtige atmosfeer.

“We zien bewijs van een dip in het spectrum tussen de 4 en 5 micron, en minder van dit licht bereikt de telescoop”, legt co-auteur Aaron Bello-Aroff, eveneens van NASA JPL, uit. “Dit duidt op de aanwezigheid van een atmosfeer die koolmonoxide of kooldioxide bevat, die deze golflengten van licht absorbeert.” Een planeet zonder atmosfeer of een atmosfeer die alleen uit verdampt gesteente bestaat, zou dit specifieke spectrale kenmerk niet hebben.

“We hebben de afgelopen tien jaar verschillende scenario’s gemodelleerd, in een poging ons voor te stellen hoe deze wereld eruit zou kunnen zien”, zegt co-auteur Yamila Miguel van de Sterrewacht Leiden en het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON). “Eindelijk wat validatie krijgen voor ons onschatbare werk!”

Borrelende magma-oceaan

Het team gelooft dat de gassen die 55 Cancri e bedekken, van binnenuit zullen komen en niet meer aanwezig zijn sinds de planeet ontstond. “De kernatmosfeer zou al lang geleden verdwenen zijn als gevolg van de hoge temperatuur en de intense straling van de ster”, zegt Bello-Arov. “Dit zal een secundaire atmosfeer zijn die voortdurend wordt aangevuld door de magma-oceaan. Magma bestaat niet alleen uit vloeibare kristallen en rotsen; er zit ook veel gas in opgelost.

Hoewel 55 Cancri e te heet is om bewoonbaar te zijn, denken onderzoekers dat het een uniek venster zou kunnen bieden om de interacties tussen de atmosfeer, oppervlakken en het interieur van rotsachtige planeten te bestuderen, en misschien inzicht zou kunnen bieden in de vroege omstandigheden op aarde. VenusEn MarsAangenomen wordt dat deze in het verre verleden bedekt is geweest door magma-oceanen. “Uiteindelijk willen we begrijpen welke omstandigheden het voor een rotsachtige planeet mogelijk maken om een ​​gasrijke atmosfeer in stand te houden: een essentieel ingrediënt voor een bewoonbare planeet,” zei Hu.

Dit onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het General Observers (GO) Webb-programma voor 1952. Aanvullende secundaire eclipswaarnemingen van 55 Cancri e worden momenteel geanalyseerd.

Referentie: “Een secundaire atmosfeer op de rotsachtige exoplaneet 55 Cancri e” door Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker en Bryce Olivier Demauri, 8 mei 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

De James Webb-ruimtetelescoop is ’s werelds toonaangevende observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost de mysteries van ons zonnestelsel op, kijkt verder dan de verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. WEB is een internationaal programma onder leiding van NASA en zijn partners, de European Space Agency (ESA).Europese Ruimtevaartorganisatie) en de Canadian Space Agency.