Webb ziet methaan in de atmosfeer van een exoplaneet
De Webb Space Telescope observeerde de exoplaneet WASP-80 b terwijl die voor en achter zijn moederster passeerde en onthulde spectra die indicatief waren voor een atmosfeer die methaangas en waterdamp bevatte. Hoewel tot nu toe op meer dan een dozijn planeten waterdamp is gedetecteerd, is methaan – een molecuul dat in overvloed wordt aangetroffen in de atmosfeer van Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus – tot voor kort ongrijpbaar gebleven in de atmosfeer van transiterende exoplaneten, wanneer bestudeerd met in de ruimte gebaseerde spectroscopie.
Met een temperatuur van ongeveer 825 Kelvin (550 °C) is WASP-80 b een zogenaamde “warme Jupiter”. Dit zijn planeten die qua grootte en massa vergelijkbaar zijn met Jupiter maar een temperatuur hebben die tussen die van hete Jupiters ligt, zoals de 1450 Kelvin (± 1200 °C) van HD 209458 en koude Jupiters, zoals de onze, die ongeveer 125 Kelvin (± -150 °C) bedraagt.
WASP-80 b draait eens in de drie dagen om zijn rode dwergster en bevindt zich op een afstand van 163 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Arend – Aquila. Omdat de planeet zo dicht bij zijn ster staat en beide zo ver van ons zijn verwijderd kunnen we zelfs met de meest geavanceerde telescopen, zoals Webb, de planeet niet rechtstreeks zien. In plaats daarvan bestuderen onderzoekers het gecombineerde licht van de ster en de planeet met behulp van de transitiemethode (die is gebruikt om de meeste bekende planeten te vinden) en de eclipsmethode.
Met behulp van de transitiemethode is het systeem waargenomen toen de planeet vanuit ons perspectief voor zijn ster bewoog, waardoor het sterlicht dat men zag een beetje zwakker werd. Het is te vergelijken met wanneer iemand voor een lamp langs loopt en het licht dimt.
Gedurende deze tijd wordt een dunne ring van de atmosfeer van de planeet rond de dag/nachtgrens van de planeet verlicht door de ster en bij bepaalde golflengtes waar de moleculen in de atmosfeer van de planeet het licht absorberen, ziet de atmosfeer er dikker uit en blokkeert meer sterlicht. Hierdoor ontstaat een diepere verduistering in vergelijking met andere golflengtes waarbij de atmosfeer transparant lijkt. Deze methode helpt wetenschappers bij het begrijpen waaruit de atmosfeer van de planeet bestaat door te zien welke kleuren licht worden geblokkeerd.
Ondertussen werd met behulp van de eclipsmethode het systeem waargenomen terwijl de planeet vanuit ons perspectief achter zijn ster trok, wat weer een kleine dip veroorzaakte in het totale licht dat wordt ontvangen. Alle objecten zenden licht uit, genaamd thermische straling, waarbij de intensiteit en kleur van het uitgestraalde licht afhangt van hoe heet het object is.
Vlak voor en na de verduistering is de hete dagzijde van de planeet naar ons toe gericht en door de lichtdip tijdens de verduistering te meten, konden de onderzoekers het door de planeet uitgezonden infraroodlicht meten. Voor eclipsspectra is de absorptie door moleculen in de atmosfeer van de planeet zichtbaar als een afname in de door de planeet uitgezonden hoeveelheid licht op een specifieke golflengte. Omdat de planeet veel kleiner en koude ris dan zijn moederster is de diepte van een verduistering ook veel kleiner dan de diepte van een transitie.
De eerste waarnemingen die de onderzoekers deden moesten worden omgezet in iets dan men een spectrum noemt; dit is in wezen een meting die laat zien hoeveel licht er wordt geblokkeerd of uitgezonden door de atmosfeer van de planeet bij verschillende kleuren (of golflengten) licht. Er bestaan veel verschillende hulpmiddelen om ruwe waarnemingen om te zetten in bruikbare spectra en dus gebruikten de onderzoekers twee verschillende benaderingen om ervoor te zorgen dat hun bevindingen voor verschillende aannames robuust waren.
Vervolgens werd dit spectrum met behulp van twee verschillende modellen geïnterpreteerd om te simuleren hoe de atmosfeer van een planeet onder zulke extreme omstandigheden eruit zou zien. Het eerste type model is volledig flexibel en probeert miljoenen combinaties van methaan- en waterstofabundanties en temperaturen te vinden om zo de combinatie te vinden die het beste overeenkomt met de gegevens. Het tweede type onderzoekt ook miljoenen combinaties maar maakt daarbij gebruik van bestaande kennis van natuurkunde en scheikunde om de te verwachten niveaus van methaan en waterstof te bepalen.
Beide modellen kwamen tot dezelfde conclusie: een duidelijke detectie van methaan.
Om hun bevindingen te valideren gebruikten de astronomen robuuste statistische methodes om de waarschijnlijkheid te evalueren of de detectie willekeurige ruis is. Astronomen gebruiken hierbij de 5-sigma-methode waarbij de kans dat de detectie wordt veroorzaakt door willekeurige ruis 1 op 1,7 miljoen is. Ze hebben methaan gedetecteerd met een concentratie van 6 sigma in zowel de transitie- als de eclipsspectra, was de kans op een valse detectie bij elke waarneming op 1 op 942 miljoen zet, waarmee de 5-sigma wordt overschreden en men er statistisch van kan uitgaan dat er daadwerkelijk methaan is gemeten.
Met zo’n overtuigende detective is niet alleen een ongrijpbaar molecuul gevonden maar kan men nu ook beginnen te onderzoeken wat deze chemische samenstelling vertelt over het ontstaan en evolutie van de planeet. Bijvoorbeeld door de hoeveelheid methaan en water te meten op de planeet kunnen astronomen de verhouding koolstofatomen en zuurstofatomen afleiden.
Deze verhouding zal naar verwachting veranderen afhankelijk van waar en wanneer planeten in hun systeem ontstaan. Het onderzoeken van deze koolstof-zuurstofverhouding kan dus aanwijzingen opleveren over de vraag of de planeet zich dicht bij zijn ster of verder weg heeft gevormd voordat hij geleidelijk naar binnen bewoog.
Een ander ding dat de astronomen enthousiast maakt over deze ontdekking is de mogelijkheid om eindelijk planeten buiten ons zonnestelsel te vergelijken met die erin. NASA heeft een geschiedenis van het sturen van ruimtesondes naar de gasreuzen in ons zonnestelsel om de hoeveelheid methaan en andere stoffen te meten. Door hetzelfde gas in een exoplaneet te meten kunnen astronomen nu appels-met-appels vergelijken en kijken of de verwachtingen van het zonnestelsel overeenkomen met wat ze daarbuiten dien.
Tenslotte laat dit resultaat zien dat astronomen aan de vooravond staan van meer opwindende bevindingen. Aanvullende MIRI- en NIRCam-waarnemingen van WASP-80 b zullen hen in staat stellen de eigenschappen van de atmosfeer te onderzoeken in verschillende golflengtes van het licht. De bevindingen doen vermoeden dat ze ook andere koolstofrijke moleculen zoals koolmonoxide en kooldioxide kunnen waarnemen, waardoor ze een uitgebreider beeld kunnen schetsen van de omstandigheden in de atmosfeer van deze exoplaneet.
Bovendien zullen ze, naarmate methaan en andere gassen in exoplaneten worden gevonden, hun kennis blijven uitbreiden over hoe scheikunde en natuurkunde werken onder omstandigheden die anders zijn dan wat we op de Aarde hebben.
Eén ding is duidelijk: de ontdekkingsreis met de James Webb Space Telescope zit boordevol potentiële verrassingen.
Artikel: Taylor Bell, Methane throughout the atmosphere of the warm exoplanet WASP-80b, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06687-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06687-0
Eerste publicatie: 23 november 2023
Bron: NASA
