Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “Webb finds a hidden atmosphere on a molten super-Earth”
Webb’s latest observations reveal a hellish world cloaked in an unexpected atmosphere: TOI-561 b, an ultra-hot rocky planet racing around its star in under 11 hours. Despite being blasted by intense radiation that should strip it bare, the planet appears…
Wetenschappers hebben met NASA’s James Webb Space Telescope het duidelijkste bewijs tot nu toe gevonden dat een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel is omhuld door een atmosfeer. Hun waarnemingen van de ultrahete superaarde TOI-561 b tonen aan dat deze exoplaneet waarschijnlijk is bedekt met een dikke laag gassen die boven een wereldwijde oceaan van gesmolten gesteente hangt.
Het onderzoeksteam, onder leiding van de Universiteit van Birmingham, publiceerde de resultaten op 11 december in The Astrophysical Journal Letters. De nieuwe gegevens helpen de verrassend lage dichtheid van de planeet te verklaren en stellen de gangbare opvatting ter discussie dat relatief kleine planeten die zeer dicht rond hun ster draaien geen atmosfeer kunnen behouden.
**Extreme baan en uitzonderlijk korte periode**
TOI-561 b heeft een straal van ongeveer 1,4 keer die van de aarde en voltooit één omwenteling in minder dan 11 uur. Daarmee behoort de planeet tot de zeldzame groep van ultra-korte-periode exoplaneten. De gastster is slechts iets kleiner en koeler dan onze zon, maar TOI-561 b cirkelt op een extreem korte afstand eromheen – minder dan anderhalf miljoen kilometer, wat een veertigste is van de afstand tussen Mercurius en de zon.
Deze nabijheid zorgt er vrijwel zeker voor dat één zijde van de planeet permanent naar de ster is gericht. Op deze eeuwige dagzijde stijgen de temperaturen ver boven het smeltpunt van gewoon gesteente.
Dr. Anjali Piette van de Universiteit van Birmingham legt uit: “We hebben echt een dikke, vluchtige atmosfeer nodig om alle waarnemingen te verklaren. Sterke winden zouden de dagzijde afkoelen door warmte naar de nachtzijde te transporteren. Gassen zoals waterdamp zouden enkele golflengten van nabij-infraroodlicht dat door het oppervlak wordt uitgestraald absorberen, voordat het helemaal door de atmosfeer heen komt.”
**Ongewoon lage dichtheid roept vragen op**
Wat TOI-561 b werkelijk onderscheidt van andere planeten is zijn abnormaal lage dichtheid. De planeet is minder dicht dan je zou verwachten bij een aardachtige samenstelling.
Hoofdonderzoeker Johanna Teske van Carnegie Science Earth and Planets Laboratory verklaart dit verschijnsel: “TOI-561 b is uniek onder ultra-korte-periode planeten omdat hij rond een zeer oude, ijzerarme ster draait – twee keer zo oud als onze zon – in een gebied van de Melkweg dat bekend staat als de dikke schijf. Hij moet gevormd zijn in een heel andere chemische omgeving dan planeten in ons eigen zonnestelsel.”
Door deze oorsprong zou de samenstelling van de planeet kunnen lijken op werelden die ontstonden toen het universum zelf nog relatief jong was. Een mogelijke verklaring voor de lage dichtheid is dat TOI-561 b een relatief kleine ijzeren kern heeft, samen met een mantel van gesteente dat minder dicht is dan het binnenste van de aarde.
**Dikke atmosfeer boven wereldwijde magma-oceaan**
Het team stelt voor dat TOI-561 b omhuld zou kunnen zijn door een substantiële atmosfeer die de planeet groter doet lijken dan alleen zijn vaste lichaam. Hoewel de theorie suggereert dat kleine planeten die miljarden jaren lang zijn blootgesteld aan intense stellaire straling alle gassen die ze ooit hadden zouden moeten verliezen, tonen enkele van dergelijke werelden nog steeds tekenen dat ze niet alleen kale rots of blootliggende lava zijn.
Met behulp van Webb’s NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) mat het onderzoeksteam de dagsidetemperatuur van de planeet op basis van zijn nabij-infrarode helderheid. De methode houdt in dat de afname in helderheid van het gecombineerde ster- en planeetsysteem wordt gevolgd wanneer de planeet achter de ster verdwijnt.
Als TOI-561 b simpelweg een kaal rotsoppervlak zou zijn zonder atmosfeer om warmte naar de nachtzijde te verplaatsen, zou zijn verlichte halfrond ongeveer 2.700 graden Celsius moeten bereiken. In plaats daarvan geven de NIRSpec-gegevens aan dat de dagsidetemperatuur dichter bij 1.800 graden Celsius ligt – nog steeds extreem heet, maar aanzienlijk koeler dan verwacht.
**Evenwicht tussen magma en atmosfeer**
Om deze lager-dan-verwachte temperatuur te verklaren, evalueerden de onderzoekers verschillende scenario’s. Een wereldwijde magma-oceaan zou wat warmte van de dagzijde naar de nachtzijde kunnen verplaatsen, maar zonder atmosfeer zou de permanent donkere zijde stollen, waardoor de hoeveelheid energie die herverdeeld kan worden beperkt wordt.
Co-auteur Tim Lichtenberg van de Universiteit van Groningen biedt een fascinerende verklaring: “We denken dat er een evenwicht bestaat tussen de magma-oceaan en de atmosfeer. Terwijl gassen uit de planeet komen om de atmosfeer te voeden, zuigt de magma-oceaan ze terug het binnenste in. Deze planeet moet veel, veel rijker aan vluchtige stoffen zijn dan de aarde om de waarnemingen te verklaren. Het is echt als een natte lavabal.”
**Voortzetting van het onderzoek**
Deze bevindingen komen voort uit de eerste resultaten van Webb’s General Observers Program 3860, waarbij het systeem meer dan 37 uur continu werd gemonitord terwijl TOI-561 b bijna vier volledige omwentelingen rond zijn ster voltooide. Het team bestudeert nu de complete dataset in detail om in kaart te brengen hoe de temperatuur rond de hele planeet varieert en om de samenstelling van zijn atmosfeer beter vast te stellen.
De ontdekking van TOI-561 b toont aan hoe de James Webb Space Telescope ons begrip van exoplaneten blijft revolutioneren. Door aan te tonen dat zelfs onder de meest extreme omstandigheden atmosferen kunnen bestaan, opent dit onderzoek nieuwe perspectieven voor het begrijpen van planetaire evolutie en de diversiteit van werelden in ons universum.