Een internationale samenwerking van astronomen onder leiding van een onderzoeker van het Astrobiology Centre en Queen's University Belfast heeft een nieuwe chemische signatuur ontdekt in de atmosfeer van een extrasolaire planeet, d.w.z. een planeet die om een ​​andere ster dan onze zon draait. De hydroxylradicaal (OH) werd gevonden aan de dagzijde van de exoplaneet WASP-33b. Deze planeet is een zogenaamde 'ultra-hete Jupiter, " een gasreuzenplaneet die veel dichterbij zijn moederster draait dan Mercurius om de zon draait (Figuur 1) en daarom atmosferische temperaturen bereikt van meer dan 2500 graden C (heet genoeg om de meeste metalen te smelten). De hoofdonderzoeker van het Astrobiology Center en Queen's University Belfast, Dr. Stevanus Nugroho, zegt, "Dit is het eerste directe bewijs van OH in de atmosfeer van een planeet buiten het zonnestelsel. Het laat niet alleen zien dat astronomen dit molecuul kunnen detecteren in atmosferen van exoplaneten, maar ook dat ze de gedetailleerde chemie van deze planetaire populatie kunnen gaan begrijpen."

In de atmosfeer van de aarde, OH wordt voornamelijk geproduceerd door de reactie van waterdamp met atomaire zuurstof. Het is een zogenaamd 'atmosferisch detergens' en speelt een cruciale rol in de atmosfeer van de aarde om vervuilende gassen te verwijderen die gevaarlijk zijn voor het leven (bijv. koolmonoxide). Op een veel hetere en grotere planeet als WASP-33b (Figuur 2, waar astronomen eerder tekenen van ijzer- en titaniumoxidegas hebben gedetecteerd) speelt OH een sleutelrol bij het bepalen van de chemie van de atmosfeer door interacties met waterdamp en koolmonoxide. Men denkt dat het grootste deel van de OH in de atmosfeer van WASP-33b is geproduceerd door de vernietiging van waterdamp als gevolg van de extreem hoge temperatuur. "We zien alleen een voorlopig en zwak signaal van waterdamp in onze gegevens, wat het idee zou ondersteunen dat water wordt vernietigd om hydroxyl te vormen in deze extreme omgeving, " legt Dr. Ernst de Mooij van Queen's University Belfast uit, een co-auteur van deze studie.

Om deze ontdekking te doen, het team gebruikte het InfraRed Doppler (IRD)-instrument bij de Subaru-telescoop met een diameter van 8,2 meter die zich in het topgebied van Maunakea in Hawai'i bevindt (ongeveer 4, 200 m boven zeeniveau). Dit nieuwe instrument kan atomen en moleculen detecteren door middel van hun 'spectrale vingerafdrukken, " unieke sets van donkere absorptiekenmerken bovenop de regenboog van kleuren (of spectrum) die wordt uitgezonden door sterren en planeten. Terwijl de planeet om zijn moederster draait, zijn snelheid ten opzichte van de aarde verandert met de tijd. Net zoals de sirene van een ambulance of het gebrul van de motor van een raceauto van toon lijkt te veranderen terwijl hij langs ons raast, de frequenties van licht (d.w.z. kleur) van deze spectrale vingerafdrukken veranderen met de snelheid van de planeet. Hierdoor kunnen we het signaal van de planeet scheiden van zijn heldere moederster, die dergelijke waarnemingen normaal gesproken overweldigt, ondanks dat moderne telescopen lang niet krachtig genoeg zijn om directe beelden te maken van dergelijke 'hete Jupiter'-exoplaneten.

"De wetenschap van planeten buiten het zonnestelsel is relatief nieuw, en een belangrijk doel van de moderne astronomie is om de atmosferen van deze planeten in detail te verkennen en uiteindelijk te zoeken naar 'aardachtige' exoplaneten - planeten die lijken op de onze. Elke nieuwe atmosferische soort die wordt ontdekt, verbetert ons begrip van exoplaneten en de technieken die nodig zijn om hun atmosfeer bestuderen, en brengt ons dichter bij dit doel", zegt Dr. Neale Gibson, assistent-professor aan het Trinity College Dublin en co-auteur van dit werk. Door gebruik te maken van de unieke mogelijkheden van IRD, de astronomen waren in staat om het kleine signaal van hydroxyl in de atmosfeer van de planeet te detecteren. "IRD is het beste instrument om de atmosfeer van een exoplaneet in het infrarood te bestuderen, " voegt prof. Motohide Tamura toe, een van de hoofdonderzoekers van IRD, directeur van het Astrobiologisch Centrum, en co-auteur van dit werk.

"Deze technieken voor atmosferische karakterisering van exoplaneten zijn nog steeds alleen van toepassing op zeer hete planeten, maar we willen graag instrumenten en technieken verder ontwikkelen waarmee we deze methoden kunnen toepassen op koelere planeten, en uiteindelijk, naar een tweede aarde, " zegt Dr. Hajime Kawahara, assistent-professor aan de Universiteit van Tokio en co-auteur van dit werk.

Prof. Chris Watson (QUB) van Queen's University Belfast, een co-auteur van deze studie, gaat verder, "Hoewel WASP-33b misschien een gigantische planeet is, deze waarnemingen zijn de proeftuin voor de volgende generatie faciliteiten zoals de Thirty Meter Telescope en de European Extremely Large Telescope bij het zoeken naar biosignaturen op kleinere en potentieel rotsachtige werelden, die hints zou kunnen geven voor een van de oudste vragen van de mensheid, "Zijn we alleen?'"

Deze resultaten zijn gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven op 23 maart, 2021.