Wetenschappers hebben tot nu toe het sterkste bewijs gevonden voor een stratosfeer op een enorme planeet buiten ons zonnestelsel, met een atmosfeer die heet genoeg is om ijzer te koken.

Een internationaal team van onderzoekers, geleid door de Universiteit van Exeter, deed de nieuwe ontdekking door gloeiende watermoleculen in de atmosfeer van de exoplaneet WASP-121b te observeren met NASA's Hubble-ruimtetelescoop.

Om de stratosfeer van de gasreus te bestuderen - een atmosfeerlaag waar de temperatuur stijgt met grotere hoogten - gebruikten wetenschappers spectroscopie om te analyseren hoe de helderheid van de planeet veranderde bij verschillende golflengten van licht.

Waterdamp in de atmosfeer van de planeet, bijvoorbeeld, gedraagt ​​zich op voorspelbare manieren in reactie op verschillende golflengten van licht, afhankelijk van de temperatuur van het water. Bij lagere temperaturen, waterdamp in de bovenste atmosfeer van de planeet blokkeert licht van specifieke golflengten dat vanuit diepere lagen naar de ruimte uitstraalt. Maar bij hogere temperaturen de watermoleculen in de bovenste atmosfeer gloeien in plaats daarvan op deze golflengten.

Het fenomeen is vergelijkbaar met wat er gebeurt met vuurwerk, die hun kleuren krijgen van chemicaliën die licht uitstralen. Wanneer metalen stoffen worden verwarmd en verdampt, hun elektronen gaan naar hogere energietoestanden. Afhankelijk van het materiaal, deze elektronen zullen licht uitstralen op specifieke golflengten omdat ze energie verliezen:natrium produceert oranjegeel en strontium produceert rood in dit proces, bijvoorbeeld.

De watermoleculen in de atmosfeer van WASP-121b geven op dezelfde manier straling af als ze energie verliezen, maar het is in de vorm van infrarood licht, die het menselijk oog niet kan detecteren.

Het onderzoek is gepubliceerd in toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift Natuur .

"Theoretische modellen hebben gesuggereerd dat stratosferen een speciale klasse van ultra-hete exoplaneten kunnen definiëren, met belangrijke implicaties voor de atmosferische fysica en chemie, " zei dokter Tom Evans, hoofdauteur en research fellow aan de Universiteit van Exeter. "Toen we Hubble op WASP-121b wezen, we zagen gloeiende watermoleculen, wat impliceert dat de planeet een sterke stratosfeer heeft."

WASP-121b, op ongeveer 900 lichtjaar van de aarde, is een gasreus exoplaneet die gewoonlijk wordt aangeduid als een 'hete Jupiter', hoewel met een grotere massa en straal dan Jupiter, waardoor het veel luchtiger wordt. De exoplaneet draait elke 1,3 dagen om zijn moederster, en is ongeveer de kortste afstand die het zou kunnen zijn voordat de zwaartekracht van de ster hem uit elkaar zou scheuren.

Deze nabijheid betekent ook dat de bovenkant van de atmosfeer wordt verwarmd tot een gloeiend hete 2, 500 graden Celsius - de temperatuur waarbij ijzer in gasvorm bestaat in plaats van in vaste vorm.

In de stratosfeer van de aarde, ozon vangt de ultraviolette straling van de zon op, waardoor de temperatuur van deze atmosfeerlaag stijgt. Andere zonnestelsellichamen hebben stratosferen, ook - methaan is verantwoordelijk voor verwarming in de stratosferen van Jupiter en Saturnusmaan Titan, bijvoorbeeld. In planeten van het zonnestelsel, de verandering in temperatuur binnen een stratosfeer is typisch minder dan 100 graden Celsius. Echter, op WASP-121b, de temperatuur in de stratosfeer stijgt met 1000 Celsius.

"We hebben een sterke stijging van de temperatuur van de WASP-121b-atmosfeer op grotere hoogten gemeten, maar we weten nog niet wat deze dramatische opwarming veroorzaakt, " zegt Nikolaj Nikolov, co-auteur en research fellow aan de Universiteit van Exeter. "We hopen dit mysterie aan te pakken met aanstaande waarnemingen op andere golflengten."

Vanadiumoxide- en titaniumoxidegassen zijn kandidaat-warmtebronnen, omdat ze sterlicht op zichtbare golflengten sterk absorberen, vergelijkbaar met ozonabsorberende UV-straling. Deze verbindingen zullen naar verwachting alleen aanwezig zijn in de heetste van hete Jupiters, zoals WASP-121b, omdat hoge temperaturen nodig zijn om ze in gasvormige toestand te houden.

Inderdaad, vanadiumoxide en titaniumoxide worden vaak gezien bij bruine dwergen, 'mislukte sterren' die enkele overeenkomsten hebben met exoplaneten.

Eerder onderzoek van het afgelopen decennium heeft mogelijk bewijs opgeleverd voor stratosferen op andere exoplaneten, maar dit is de eerste keer dat gloeiende watermoleculen zijn gedetecteerd, het duidelijkste signaal tot nu toe voor een stratosfeer van een exoplaneet.

Het is een van de eerste resultaten van een nieuw observatieprogramma dat wordt uitgevoerd door een internationaal team van wetenschappers, geleid door universitair hoofddocent David Sing aan de Universiteit van Exeter en Dr. Mercedes Lopez-Mórales aan het Smithsonian Institution. Het programma heeft 800 uur gekregen om 20 verschillende exoplaneten te bestuderen en te vergelijken, wat neerkomt op een van de grootste tijdsbestedingen voor een enkel programma in de hele 27-jarige geschiedenis van Hubble.

"Dit nieuwe onderzoek is het bewijs waar wetenschappers naar hebben gezocht bij het bestuderen van hete exoplaneten. We hebben ontdekt dat deze hete Jupiter een stratosfeer heeft, een veelvoorkomend kenmerk dat we op de meeste planeten van ons zonnestelsel zien", zegt professor David Sing, co-auteur en universitair hoofddocent astrofysica aan de Universiteit van Exeter.

"Het is echt een opwindende vondst omdat we dramatische verschillen van planeet tot planeet zien, wat waardevolle aanwijzingen geeft bij het uitzoeken hoe planeten zich onder verschillende omstandigheden gedragen, en we krabben nog maar aan het oppervlak van alle nieuwe Hubble-gegevens."

NASA's aanstaande James Webb-ruimtetelescoop zal de atmosfeer van planeten zoals WASP-121b kunnen volgen met een hogere gevoeligheid dan welke telescoop dan ook die momenteel in de ruimte is.

"Deze superhete exoplaneet wordt een maatstaf voor onze atmosferische modellen, en zal een geweldig observatiedoel zijn in het Webb-tijdperk, " zei Hannah Wakeford, co-auteur en onderzoeker aan de Universiteit van Exeter.