Webb bepaalt atmosferische samenstelling van sub-Neptunus TOI-421b
Sub-Neptunussen zijn exoplaneten die veel voorkomen en geen analogen hebben met ons zonnestelsel. Ze zijn veel kleiner dan gasreuzen en doorgaans koeler dan hete Jupiters en waren daarom extreem lastig waar te nemen vóór de lancering van de Webb Space Telescope. Veel sub-Neptunussen lijken sterk verduisterd te zijn door wolken en nevels, waardoor et onmogelijk is om hun atmosferische samenstelling te bepalen. Astronomen hebben nu met behulp van Webb het transmissiespectrum van de sub-Neptunus TOI-421b vastgelegd en de chemische vingerafdrukken van zijn atmosfeer blootgelegd.
TOI-421 is een zonachtige ster op een afstand van 245 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Lepus – Haas. De ster, ook bekend als BD-14 1137, is ongeveer 10 miljard jaar oud en heeft minstens twee zware exoplaneten.
De binnenste planeet, TOI-421b, is een sub-Neptunus met een straal van 2,65 keer die van de Zon en een opmerkelijk hoge evenwichtstemperatuur van 647 °C.
Vóór Webb hadden astronomen heel weinig informatie over sub-Neptunussen. Hoewel ze een paar keer groter zijn dan de Aarde, zijn deze planeten nog steeds veel kleiner dan gasreuzen en doorgaans koeler dan hete Jupiters, waardoor ze veel moeilijker zijn waar te nemen dan hun gasreuzen.
Dit betekent dat wetenschappers, toen ze het spectrum van de planeet observeerden terwijl deze voor zijn moederster langs trok, in plaats van spectrale kenmerken te zien – de chemische vingerafdrukken die de samenstelling van de atmosfeer zouden onthullen – alleen een vlak spectrum zagen.
Ze concludeerden uit al die vlakke spectra dat ten minste bepaalde sub-Neptunussen waarschijnlijk sterk verduisterd waren door wolken of nevel.
Waarom werd deze planeet, TOI-421b, dan waargenomen? Nou, de onderzoekers dachten dat er misschien geen nevel zou zijn. En de reden is dat er eerdere gegevens waren die suggereerden dat planeten boven een bepaald temperatuur bereik mogelijk minder door nevel of wolken bedekt waren dan andere.
Die temperatuurdrempel ligt rond de 577 °C. Daaronder veronderstelden wetenschappers dat er een complexe reeks fotochemische reacties zou plaatsvinden tussen zonlicht en methaangas, en dat dit de nevel zou veroorzaken. Maar hetere planeten zouden geen methaan en dus misschien geen nevel moeten hebben.
De temperatuur van TOI-421b ligt rond de 727 °C, ruim boven de veronderstelde drempel.
Zonder nevel of wolken verwachtten de astronomen een heldere atmosfeer, en dat was dus ook zo.
De onderzoekers zagen spectrale kenmerken die ze toeschreven aan verschillende gassen en die hen in staat stelden de sasmenstelling van de atmosfeer te bepalen.
De onderzoekers vonden waterdamp in de atmosfeer van TOI-421b, evenals sporen van koolmonoxide en zwaveldioxide. Ook zijn er nog moleculen die ze niet hebben gedetecteerd, zoals methaan en kooldioxide.
Uit de gegevens kunnen ze ook afleiden dat er ene grote hoeveelheid waterstof in de atmosfeer van de planeet aanwezig is. Die waterstofatmosfeer was een grote verrassing voor de wetenschappers. Ze hadden onlangs het idee dat die eerste paar sub-Neptunussen die door Webb werden waargenomen een atmosfeer van zware moleculen hadden, dus dat was ook hier de verwachting, en toen ontdekten ze eigenlijk het tegenovergestelde.
Dit suggereert dat TOI-421b mogelijk anders is ontstaan en geëvolueerd dan de koelere sub-Neptunussen die eerder zijn waargenomen. De door waterstof gedomineerde atmosfeer is ook interessant omdat deze de samenstelling van de moederster van TOI-421b nabootst.
Als je hetzelfde gas waaruit de moederster is ontstaan op de atmosfeer van een planeet zou leggen en het bij de veel lagere temperatuur van deze planeet zou plaatsen, zou je dezelfde combinatie van gassen krijgen.
Dat proces komt meer overeen met de reuzenplaneten in ons zonnestelsel en het verschilt van andere sub-Neptunussen die tot nu toe met Webb zijn waargenomen.
Het artikel van het onderzoeksteam is deze week in de Astrophysical Journal Letters gepubliceerd.
Artikel: Brian Davenport et al. 2025. TOI-421b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere. ApJL 984, L44; doi: 10.3847/2041-8213/adcd76
Eerste publicatie: 6 mei 2025
Bron: sci-news
