Webb bevestigt zijn eerste exoplaneet

Iets meer dan een jaar na zijn lancering heeft de James Webb Space Telescope zijn eerste rotsachtige exoplaneet bevestigd. Het gaat om LHS 475b – een planeet met de grootte van de Aarde en heet als Venus die zich op een afstand van slechts 41 lichtjaar in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Octans – Octant bevindt.

Het ontwerpproces voor de Webb Space Telescope begon toen wetenschappers slechts een handjevol exoplaneten hadden gevonden. De telescoop is niet specifiek ontworpen voor het vinden van exoplaneten. Echter zijn uitstekende optiek en het vermogen om licht van een bron op te splitsen in verschillende golflengtes maakt de telescoop een krachtig instrument om planeet en kandidaat-planeten te bestuderen die astronomen al hebben gevonden.

Met behulp van de Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) van de Webb zocht het onderzoeksteam naar atmosferen bij een aantal exoplaneten met de grootte van de Aarde. Een van hun doelen was de exoplaneet LHS 475b (Gliese 4102b) die eerder door de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) werd gevonden. TESS werd in april 2018 gelanceerd.

Op dat moment was LHS 475b nog een kandidaat-planeet en geen bevestigde planeet. Maar het duurde slechts twee transities voorlangs zijn ster en Webb had de planeet te pakken. Aan de hand van de data van Webb kon men het bestaan van de exoplaneet definitief bevestigen.

Transitie lichtcurve LHS 475 b
Deze illustratie toont de afname van licht die de Webb Telescope zag van de ster LHS 475 toen de planeet tussen de ster en de telescoop door bewoog. Credit: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)/Kevin B. Stevenson (APL), Jacob A. Lustig-Yaeger (APL), Erin M. May (APL), Guangwei Fu (JHU), Sarah E. Moran (University of Arizona))

Op zoek naar een atmosfeer

De Webb-gegevens doen veel meer dan alleen bevestigen dat de exoplaneet bestaat. De waarnemingen bewijzen ook hoe revolutionair de telescoop zal zijn in het opsporen van welke gassen een buitenaardse planeet omringen – cruciale informatie om te begrijpen hoe een planeet eruit ziet.

Het team observeerde LHS terwijl die twee keer voor zijn gastster passeerde, een rode dwerg waar de planeet om de twee dagen omheen draait. De eerste transitie vond plaats op 31 augustus 2022 en de tweede vier dagen later, op 4 september 2022. Het team registreerde dat 0,1% van het licht van de ster werd geblokkeerd door de planeet in de loop van zijn 40 minuten durende transit. Daaruit berekende het team dat de planeet bijna even groot is als de Aarde met ongeveer 99% van zijn diameter.

Transitiespectrum LHS 475 b
Dit diagram toont het transmissiespectrum van de exoplaneet LHS 475 b (in wit) vergeleken met een zuivere methaanatmosfeer (in groen), een structuurloos spectrum van een planeet die geen atmosfeer heeft (in geel) en een zuiver koolstofdioxide spectrum (in paars). Credit: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)/Kevin B. Stevenson (APL), Jacob A. Lustig-Yaeger (APL), Erin M. May (APL), Guangwei Fu (JHU), Sarah E. Moran (University of Arizona)

Om meer te weten te komen over de atmosfeer van de planeet combineerde het team gegevens van twee overgangen in één transmissiespectrum. Ze vonden geen moleculen die overvloedig genoeg waren om door Webb gedetecteerd te kunnen worden.

De analysemethode van het team keek naar de hoeveelheid licht die door de planeet wordt geblokkeerd op specifieke golflengtes. Wat ze probeerden te zien was een duidelijke toename van de grootte van de planeet bij golflengtes waarvan bekend is dat bepaalde moleculen die absorberen waardoor de planeet, dankzij de bijdrage van de atmosfeer, groter lijkt.

Zelfs zonder enige detectie zou het team verschillende modellen kunnen gebruiken om uit te sluiten wat zich niet in de atmosfeer bevindt. Om dit te doen concentreerden onderzoekers zich op een specifiek kenmerk in het transmissiespectrum: een grafiek die weergeeft hoeveel licht op elke golflengte wordt geblokkeerd. Een transmissiespectrum is visueel misschien niet erg interessant maar kan wel licht werpen op belangrijke informatie over de planeet.

Zo hebben de onderzoekers bijvoorbeeld vastgesteld dat LHS 475b bijvoorbeeld geen atmosfeer kan hebben die wordt gedomineerd door waterstof, zoals de atmosfeer van de gasreuzen in ons zonnestelsel. Ze ontdekten dat een methaanrijke atmosfeer zoals die van de Saturnusmaan Titan ook niet waarschijnlijk is, dit omdat men verwacht dat methaanmoleculen op bepaalde golflengtes meer sterlicht blokkeren dan de onderzoekers hebben waargenomen.

Artist impressie LHS 475 b
Artist impressie van de exoplaneet LHS 475 b. Credit: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)

De onderzoekers modelleerden ook een paar mogelijke atmosferen voor LHS 475b die de Webb-gegevens niet konden uitsluiten. Aan de ene kant zien ze dat bepaalde kenmerken in het transmissiespectrum kunnen worden geproduceerd door een dunne atmosfeer die bestaat uit koolstofdioxide.

Aan de andere kant zou de planeet ook een atmosfeer kunnen hebben die rijk is aan koolstofdioxide, zoals de atmosfeer van Venus. Zo’n atmosfeer zou een heel vlak, karakterloos spectrum produceren, vergelijkbaar met wat men zou verwachten van een planeet die géén atmosfeer heeft. Iets wat ook uitstekend past bij de waarnemingen. Het zou ook kunnen verklaren waarom de planeet een paar honderd graden warmer lijkt te zijn dan de Aarde.

Gezien deze mogelijkheden zou LHS 475b heel goed een luchtloos object kunnen zijn dat elke atmosfeer heeft verloren die het ooit had. Maar de planeet kan ook een compacte atmosfeer hebben waar Webb niet gevoelig voor is.

Het onderscheiden van de twee scenario’s zou “zeer, zeer nauwkeurige gegevens” vereisen. Hoewel het nog moeilijk is om het verschil te zien hopen astronomen meer duidelijkheid te krijgen tijdens een extra waarnemingen van een transitie die gepland staat voor deze zomer.

Eerste publicatie: 12 januari 2023
Bron: ESA