Waarom is de suikerspin-planeet WASP-107b zo opgezwollen?
Een verrassend kleine hoeveelheid methaan en een supergrote kern verbergen zich in WASP-170b, een super-Neptunus exoplaneet op ongeveer 212 lichtjaar afstand in de richting van het sterrenbeeld Maagd – Virgo. Dit schrijven onderzoekers in twee artikelen die in het tijdschrift Nature zijn gepubliceerd.
WASP-170b is een zeer actieve hoofdreekster van spectraalklasse K die zich op een afstand van ongeveer 212 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Virgo – Maagd bevindt.
WASP-107b, voor het eerst gezien in 2017, is een van de minst dichte exoplaneten die we kennen – een type dat astrofysici “suikerspin”-planeten hebben genoemd.
De planeet draait elke 5,7 dagen heel dicht om zijn ster heen – ruim 16 keer dichter dan de Aarde om de Zon. De planeet heeft een van de koelste atmosferen van alle ontdekte exoplaneten, hoewel het met 500 °C nog altijd veel helder is dan op Aarde.
Aangenomen wordt dat de hoge temperatuur het gevolg is van getijdenopwarming veroorzaakt door de enigszins elliptische baan van de planeet, en kan verklaren hoe WASP-107b zo kan worden opgeblazen, zonder toevlucht te nemen tot extreme theorieën over hoe de planeet is ontstaan.
Gebaseerd op zijn straal, massa, leeftijd en veronderstelde interne temperatuur dachten astronomen dat WASP-170b een zeer kleine, rotsachtige kern had, omringd door een enorme massa waterstof en helium, aldus de onderzoekers in het eerste artikel.
Maar het was lastig te begrijpen hoe zo’n kleine kern zoveel gas kon opzuigen en dan niet volledig kon uitgroeien tot een planeet met de massa van Jupiter.
Als WASP-107b in plaats daarvan meer massa in de kern heeft zou de atmosfeer moeten zijn samengetrokken naarmate de planeet na verloop van tijd sinds zijn ontstaan afkoelde.
Zonder een warmtebron om het gas opnieuw uit te breiden zou de planeet veel kleiner moeten zijn.
WASP-107b is zo’n interessant doelwit voor Webb omdat de planeet aanzienlijk koeler is en qua massa mee rop Neptunus lijkt dan veel van de andere planeten met een lage dichtheid, de hete Jupiters, die men heeft bestudeerd, aldus de onderzoekers van het tweede artikel.
Als gevolg hiervan zouden ze methaan en andere moleculen moeten kunnen detecteren die informatie kunnen geven over de chemie en interne dynamiek ervan die ze niet kunnen verkregen van een hetere planeet.
De gigantische straal, de uitgebreide atmosfeer en de baan van WASP-107b maken hem een ideaal doelwit voor transmissiespectroscopie, een methode die wordt gebruikt om de verschillende gassen in de atmosfeer van een exoplaneet te identificeren op basis van hoe ze het sterlicht beïnvloeden.
Door waarnemingen van de NIRCam en MIRI van de Webb Space Telescope en de WFC3 van de Hubble Space Telescope te combineren konden de onderzoekers een breed spectrum van 0,8 tot 12,2 micrometer licht opbouwen geabsorbeerd door de atmosfeer van WASP-107b.
Met behulp van de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) van de Webb kon men ook een onafhankelijk spectrum van 2,7 tot 5,2 micrometer opbouwen.
De nauwkeurigheid van de gegevens maakt het mogelijk om niet alleen het voorkomen van moleculen, waaronder waterdamp, methaan, koolstofdioxide, koolstofmonoxide, zwaveldioxide en ammoniak, te detecteren, maar ook daadwerkelijk te meten.
Beide spectra laten een verrassend tekort aan methaan zien in de atmosfeer van WASP-170b: een duizendste van de verwachte hoeveelheid op basis van de veronderstelde temperatuur.
Dit is het bewijs dat heet gas uit de diepte van de planeet zich krachtig moet vermengen met de koelere lagen hogerop, aldus de onderzoekers.
Methaan is onstabiel bij hoge temperatuur. Het feit dat we zo weinig hebben gedetecteerd, ook al hebben we wel andere koolstofhoudende moleculen gedetecteerd, vertelt ons dat het binnenste van de planeet aanzienlijk heter moet zijn dan we dachten, aldus de onderzoekers.
Een waarschijnlijke bron van de extra interne energie van WASP-107b is de opwarming van de planeet, veroorzaakt door zijn enigszins elliptische baan.
Omdat de afstand tussen de ster en de planeet voortdurend verandert gedurende de 5,7 dagen durende baan, verandert ook de zwaartekracht, waardoor de planeet wordt uitgerekt en opgewarmd.
Astronomen hadden eerder voorgesteld dat getijdenopwarming de oorzaak zou moeten zijn van de opgezwollen toestand van WASP-107b, maar totdat de Webb-resultaten binnenkwamen was er geen bewijs.
Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat de planeet voldoende interne warmte heeft om de atmosfeer grondig te laten opschudden, realiseerden de onderzoekers zich dat de spectra ook een nieuwe manier zouden kunnen bieden om de grootte van de kern te schatten.
Ze schrijven dat als er eenmaal bekend is hoeveel energie er op de planeet aanwezig is, en ze weten welk deel van de planeet bestaat uit zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof, zuurstof e zwavel, versus hoeveel waterstof en helium ze kunnen berekenen hoeveel massa er aanwezig moet zijn in de kern.
Het blijkt dat de kern minstens twee keer zo zwaar is als oorspronkelijk werd geschat, wat logischer is in termen van hoe planeten ontstaan.
Alles bij elkaar is WASP-107b veel minder mysterieus als ooit werd gedacht.
De Webb-gegevens vertellen dat planeten als WASP-107b niet op een vreemde manier hoefden te ontstaan met een superkleine kern en een enorme gasachtig omhulsel.
In plaats daarvan kunnen we iets nemen dat meer op Neptunus lijkt, met veel gesteente en niet zo veel gas, gewoon de temperatuur verhogen en het opblazen om er zo uit te zien.
Artikelen:
- L. Welbanks et al. A high internal heat flux and large core in a warm Neptune exoplanet. Nature, published online May 20, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07514-w
- D.K. Sing et al. A warm Neptune’s methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing. Nature, published online May 20, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07395-z
Eerste publicatie: 21 mei 2024
Bron: sci-news & anderen
