Het meest uitgebreide onderzoek naar atmosferische chemische samenstellingen van exoplaneten tot nu toe heeft trends aan het licht gebracht die de huidige theorieën over planeetvorming in vraag stellen en die implicaties hebben voor het zoeken naar water in het zonnestelsel en daarbuiten.

Een team van onderzoekers, geleid door de Universiteit van Cambridge, gebruikte atmosferische gegevens van 19 exoplaneten om gedetailleerde metingen van hun chemische en thermische eigenschappen te verkrijgen. De exoplaneten in het onderzoek beslaan een groot bereik in grootte - van 'mini-Neptunus' van bijna 10 aardmassa's tot 'super-Jupiters' van meer dan 600 aardmassa's - en temperatuur, van bijna 20C tot meer dan 2000C. Net als de reuzenplaneten in ons zonnestelsel, hun atmosferen zijn rijk aan waterstof, maar ze draaien om verschillende soorten sterren.

De onderzoekers ontdekten dat hoewel waterdamp veel voorkomt in de atmosfeer van veel exoplaneten, de bedragen waren verrassend lager dan verwacht, terwijl de hoeveelheden andere elementen die op sommige planeten werden gevonden in overeenstemming waren met de verwachtingen. De resultaten, die deel uitmaken van een vijfjarig onderzoeksprogramma naar de chemische samenstelling van planetaire atmosferen buiten ons zonnestelsel, worden gerapporteerd in de Astrofysische journaalbrieven .

"We zien de eerste tekenen van chemische patronen in buitenaardse werelden, en we zien hoe divers ze kunnen zijn in termen van hun chemische samenstelling, " zei projectleider Dr. Nikku Madhusudhan van het Institute of Astronomy in Cambridge, die vijf jaar geleden voor het eerst lage hoeveelheden waterdamp in gigantische exoplaneten heeft gemeten.

In ons zonnestelsel, de hoeveelheid koolstof ten opzichte van waterstof in de atmosfeer van reuzenplaneten is aanzienlijk hoger dan die van de zon. Men denkt dat deze 'supersolaire' overvloed is ontstaan ​​toen de planeten werden gevormd, en grote hoeveelheden ijs, rotsen en andere deeltjes werden in de planeet gebracht in een proces dat accretie wordt genoemd.

Er is voorspeld dat de abundanties van andere elementen even hoog zijn in de atmosferen van gigantische exoplaneten - vooral zuurstof, dat na waterstof en helium het meest voorkomende element in het heelal is. Dit betekent dat water, een dominante drager van zuurstof, zal naar verwachting ook overvloedig zijn in dergelijke atmosferen.

De onderzoekers gebruikten uitgebreide spectroscopische gegevens van telescopen in de ruimte en op de grond, inclusief de Hubble-ruimtetelescoop, de Spitzer Ruimtetelescoop, de Very Large Telescope in Chili en de Gran Telescopio Canarias in Spanje. Het scala aan beschikbare waarnemingen, samen met gedetailleerde rekenmodellen, statistische methoden, en atomaire eigenschappen van natrium en kalium, stelde de onderzoekers in staat om schattingen te verkrijgen van de chemische abundanties in de exoplaneetatmosferen over het monster.

Het team rapporteerde de overvloed aan waterdamp in 14 van de 19 planeten, en de overvloed aan natrium en kalium in zes planeten elk. Hun resultaten suggereren een uitputting van zuurstof ten opzichte van andere elementen en bieden chemische aanwijzingen over hoe deze exoplaneten kunnen zijn gevormd zonder substantiële aanwas van ijs.

"Het is ongelooflijk om zo'n lage waterdichtheid te zien in de atmosferen van een breed scala aan planeten die rond een verscheidenheid aan sterren draaien, ' zei Madhusudhan.

"Het meten van de hoeveelheden van deze chemicaliën in exoplanetaire atmosferen is iets buitengewoons, gezien het feit dat we nog niet hetzelfde hebben kunnen doen voor reuzenplaneten in ons zonnestelsel, inclusief Jupiter, onze dichtstbijzijnde gasreus, " said Luis Welbanks, lead author of the study and Ph.D. student at the Institute of Astronomy.

Various efforts to measure water in Jupiter's atmosphere, including NASA's current Juno mission, have proved challenging. "Since Jupiter is so cold, any water vapour in its atmosphere would be condensed, making it difficult to measure, " said Welbanks. "If the water abundance in Jupiter were found to be plentiful as predicted, it would imply that it formed in a different way to the exoplanets we looked at in the current study."

"We look forward to increasing the size of our planet sample in future studies, " said Madhusudhan. "Inevitably, we expect to find outliers to the current trends as well as measurements of other chemicals."

These results show that different chemical elements can no longer be assumed to be equally abundant in planetary atmospheres, challenging assumptions in several theoretical models.

"Given that water is a key ingredient to our notion of habitability on Earth, it is important to know how much water can be found in planetary systems beyond our own, " said Madhusudhan.