Webb onthult de atmosferische samenstelling van de exoplaneet WASP-39b

Terwijl de James Webb Space Telescope en andere telescopen in de ruimte eerder al geïsoleerde ingrediënten van de atmosfeer van WASP-39b, een hete Saturnus-exoplaneet die rond een ster draait die ongeveer 700 lichtjaar van ons is verwijderd, hebben onthuld, bieden de nieuwe bevindingen een volledig menu van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken. De resultaten verschijnen in een set van vijf artikelen in het tijdschrift Nature.

Artist impressie van de exoplaneet WASP-39b
Deze afbeelding toont hoe WASP-39b eruit zou kunnen zien, uitgaande van wat we er momenteel over weten. Credit: NASA / ESA / CSA / Webb / J. Olmsted, STScI.

WASP-39b is een hete gasreus die met een periode van 4,1 dagen om de ster WASP-39 draait, dit is een zonachtige ster van spectraalklasse G7. De exoplaneet is in 2011 gevonden en heeft ongeveer dezelfde massa als Saturnus maar is wel 50% groter. Die extreme opgeblazenheid wordt deels veroorzaakt door de hoge temperatuur van ongeveer 900 graden Celsius.

De exoplaneet is met meerdere instrumenten waargenomen die samen een breed deel van het infraroodspectrum bestrijken en een arsenaal aan chemische vingerafdrukken mogelijk maken die tot voor de Webb-missie onmogelijk waren.

Om het licht van WASP-39b te kunnen zien nam Webb de planeet waar toen die voorlangs zijn ster bewoog. Tijdens die passage wordt sterlicht door de atmosfeer van de planeet geabsorbeerd.

Verschillende chemische verbindingen in de atmosfeer absorberen verschillende kleuren van het licht van de ster. De kleuren die ontbreken vertellen astronomen dus welke moleculen er aanwezig zijn.

Een van de onthullingen is de eerste detectie in de atmosfeer van een exoplaneet van zwaveldioxide (SO2), een molecuul dat wordt geproduceerd door chemische reacties veroorzaakt door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op Aarde ontstaat op een vergelijkbare manier de beschermende ozonlaag in de bovenste atmosfeer.

De spectra van WASP-39b opgenomen door de Webb Space Telescope
Deze afbeelding toont de transmissiespectra van WASP-39b van drie van de instrumenten van Webb die in vier modi werkten. Ze zijn allemaal uitgezet op een schaal van 0,5 tot 5,5 micrometer. Linksboven tonen de data van NIRISS de vingerafdrukken van kalium (K), water (H2O) en koolstofmonoxide (CO). Rechtsboven tonen data van NIRCam een duidelijk signaal van water. Linksonder wijzen data van NIRSpec op water, zwaveldioxide (SO2), koolstofdioxide (CO2) en koolstofmonoxide (CO). Rechtsonder wijzen aanvullende NIRSpec-data op de aanwezigheid van a deze moleculen incl. natrium (Na). NASA / ESA / CSA / Webb / J. Olmsted, STScI.

Het is voor het eerst dat astronomen concreet bewijs zien voor fotochemie – chemische reacties geïnitieerd door energetisch sterlicht – op exoplaneten. Het wordt gezien als en veelbelovend vooruitzicht om met de Webb Telescope de kennis van atmosferen van exoplaneten te vergroten.

Webb detecteerde ook natrium (Na), kalium (K) en waterdamp (H2O), wat eerdere waarnemingen met een telescoop in de ruimte en op de grond bevestigde als ook aanvullende vingerafdrukken van water.

De telescoop zag ook met een hogere resolutie koolstofdioxide (CO2). Die hogere resolutie leverde twee keer zoveel gegevens op als bij eerdere waarnemingen.

Ook werd er koolstofmonoxide (CO) gedetecteerd maar er werden geen duidelijke handtekeningen van zowel methaan (CH4) als waterstofsulfide (H2S) gevonden in de gegevens van Webb. Indien aanwezig dan komen deze moleculen op zeer lage niveaus voor.

De chemische inventaris van WASP-39b suggereert een geschiedenis van instortingen en fusies van planetesimalen om uiteindelijk een kolos van een planeet te creëren.

De overvloed aan zwavel in verhouding tot waterstof geeft volgens de onderzoekers aan dat de planeet vermoedelijk een aanzienlijke aangroei van planetesimalen heeft ervaren die deze ingrediënten in de atmosfeer kunnen brengen.

De data geven ook aan dat zuurstof veel overvloediger aanwezig is dan koolstof in de atmosfeer. Dit geeft mogelijk aan dat WASP-39b oorspronkelijk ver weg van de centrale ster is ontstaan.

Artikelen:

Eerste publicatie: 23 november 2022
Bron: sci-news, ESA, NASA