Een team van Europese astronomen, geleid door onderzoekers van het Instituut voor Sterrenkunde aan de KU Leuven, maakte recent waarnemingen met de James Webb Space Telescope om de atmosfeer van de nabijgelegen exoplaneet WASP-107b te bestuderen. Diep in de ijle atmosfeer van WASP-107b ontdekten ze niet alleen waterdamp en zwaveldioxide, maar zelfs silicium (zandwolken). De resultaten van de studie verschenen deze week in het wetenschappelijke vakblad in Nature.
Astronomen over de hele wereld maken gebruik van de geavanceerde mogelijkheden van het Mid-Infrared Instrument (MIRI) aan boord van de James Webb Space Telescope (JWST) om baanbrekende waarnemingen van exoplaneten te doen. Dat zijn planeten die om andere sterren dan onze eigen zon draaien. Eén van deze fascinerende werelden is WASP-107b, een unieke gasreus, die om een ster draait die iets koeler en minder massief is dan onze zon. De massa van de planeet is vergelijkbaar met die van Neptunus, maar de grootte overtreft die van Neptunus, bijna zo groot als Jupiter. Deze eigenschap maakt WASP-107b nogal 'ijl' in vergelijking met de gasreuzen in ons eigen zonnestelsel.
De ijlheid van deze exoplaneet stelt astronomen in staat om dieper in de atmosfeer te kijken, ongeveer 50 keer dieper vergeleken met Jupiter in ons zonnestelsel. Deze omstandigheden laten toe om de complexe chemische samenstelling van de atmosfeer te ontrafelen. De reden hiervoor is vrij eenvoudig: de signalen, of spectrale kenmerken, zijn veel sterker in een minder dichte atmosfeer dan in een compactere. Hun recente studie, nu gepubliceerd in Nature, onthult de aanwezigheid van waterdamp, zwaveldioxide (SO2) en siliciumwolken. Van het broeikasgas methaan (CH4) is opvallend genoeg geen spoor. "JWST brengt een wetenschappelijke revolutie teweeg op het vlak van de karakterisatie van exoplaneten en dit in een ongekend tempo", zegt professor Leen Decin van KU Leuven, één van de hoofdauteurs. "De ontdekking van zandwolken, waterdamp en zwaveldioxide in de ijle atmosfeer van deze exoplaneet door het MIRI-instrument van James Webb is een cruciale mijlpaal. Het verandert ons begrip van de vorming en evolutie van planeten, en werpt nieuw licht op ons eigen zonnestelsel.”
Dynamische atmosfeer
De nieuwe waarnemingen bieden cruciale inzichten in de dynamica en chemie van deze intrigerende exoplaneet. Allereerst duidt de afwezigheid van methaan op een mogelijk warme kern, wat een boeiende blik werpt op de beweging van warmte-energie in de atmosfeer van de planeet. Ten tweede was de ontdekking van zwaveldioxide (bekend van de geur van brandende lucifers) een grote verrassing. Eerdere modellen hadden de afwezigheid ervan voorspeld, maar nieuwe klimaatmodellen van de atmosfeer van WASP-107b tonen nu aan dat de ijlheid van WASP-107b de vorming van zwaveldioxide in de atmosfeer mogelijk maakt. Hoewel de moederster relatief weinig hoog-energetische fotonen uitstraalt vanwege zijn koelere aard, kunnen deze fotonen diep doordringen in de atmosfeer van de planeet dankzij zijn ijle atmosfeer. Dit maakt de chemische reacties die nodig zijn voor de productie van zwaveldioxide mogelijk.
Daarnaast stelden de onderzoekers vast dat de spectrale kenmerken van zowel zwaveldioxide als waterdamp aanzienlijk minder sterk zijn in vergelijking met wat ze zouden zijn in een situatie zonder wolken. Wolken op grote hoogte verbergen de waterdamp en zwaveldioxide gedeeltelijk in de atmosfeer. Het is de eerste keer dat astronomen de chemische samenstelling van deze wolken op een exoplaneet kunnen identificeren. In dit geval bestaan de wolken uit kleine siliciumdeeltjes, een stof die voornamelijk bekend staat als het belangrijkste bestanddeel van zand.
In tegenstelling tot de atmosfeer van de aarde, waar water bij lage temperaturen bevriest, bevriezen siliciumdeeltjes in gasreuzen bij temperaturen van ongeveer 1000 graden Celsius om wolken te vormen. In het geval van WASP-107b, met een temperatuur van ongeveer 500 graden Celsius in de buitenste atmosfeer, voorspelden traditionele modellen dat deze siliciumwolken dieper in de atmosfeer zouden moeten worden gevormd, waar de temperatuur aanzienlijk hoger is.
Volgens hoofdauteur Michiel Min (SRON - Netherlands Institute for Space Research): "Het feit dat we deze zandwolken hoog in de atmosfeer zien, moet betekenen dat de zandregendruppels verdampen in diepere, zeer hete lagen van de atmosfeer en dat de resulterende siliciumdamp efficiënt omhoog wordt getransporteerd, waar ze opnieuw condenseren om opnieuw siliciumwolken te vormen. Dit lijkt sterk op de waterdamp- en wolkenkringloop op onze eigen aarde, maar dan met druppels gemaakt van zand." Deze voortdurende cyclus van sublimatie en condensatie door verticaal transport is verantwoordelijk voor de blijvende aanwezigheid van zandwolken in de atmosfeer van WASP-107b.
Belgische sleutelrol
Dankzij financiering van het Belgische federale wetenschapsbeleid BELSPO via het ESA PRODEX-programma hebben Belgische ingenieurs en wetenschappers een sleutelrol gespeeld in het ontwerp en de ontwikkeling van het MIRI-instrument, waaronder het Centre Spatial de Liège (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi) en OIP Sensor Systems (Oudenaarde). Bij het Instituut voor Sterrenkunde aan de KU Leuven hebben instrumentwetenschappers het MIRI-instrument uitgebreid getest in speciale testkamers die de ruimteomgeving simuleren, in laboratoria in het Verenigd Koninkrijk, bij NASA Goddard en NASA Johnson Space Centers.
"We hebben samen met collega's in heel Europa en de Verenigde Staten bijna twintig jaar gewerkt om het MIRI-instrument te bouwen en te testen. Het geeft veel voldoening om te zien hoe ons instrument de atmosfeer van deze intrigerende exoplaneet helpt te ontrafelen", zegt instrumentwetenschapper Bart Vandenbussche van KU Leuven.
Bron: KU Leuven
