Voor het eerst hebben astronomen ondubbelzinnig bewijs gevonden van koolstofdioxide in de atmosfeer van een exoplaneet (een planeet buiten ons zonnestelsel).

De ontdekking, geaccepteerd voor publicatie in Nature en online geplaatst op 25 augustus, demonstreert de kracht van de James Webb Space Telescope (JWST) om ongekende waarnemingen van exoplaneetatmosferen te leveren.

Natalie Batalha, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de UC Santa Cruz, leidt het team van astronomen dat de detectie heeft gedaan en gebruikt JWST om een ​​planeet met de massa van Saturnus te observeren, WASP-39b genaamd, die heel dicht bij een zonachtige ster draait met ongeveer 700 licht- jaar van de aarde.

"Eerdere observaties van deze planeet met Hubble en Spitzer hadden ons verleidelijke hints gegeven dat koolstofdioxide aanwezig zou kunnen zijn," zei Batalha. "De gegevens van JWST toonden een ondubbelzinnig kenmerk van kooldioxide dat zo prominent aanwezig was dat het bijna tegen ons schreeuwde."

Kooldioxide is een belangrijk onderdeel van de atmosfeer van planeten in ons zonnestelsel, te vinden op rotsachtige planeten zoals Mars en Venus, evenals gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus. Voor onderzoekers van exoplaneten is het zowel belangrijk als gas dat ze waarschijnlijk kunnen detecteren op kleine rotsplaneten, en als indicator van de algehele overvloed aan zware elementen in de atmosferen van reuzenplaneten.

"Kooldioxide is eigenlijk een zeer gevoelige meetlat - de beste die we hebben - voor zware elementen in de atmosfeer van reuzenplaneten, dus het feit dat we het zo duidelijk kunnen zien is echt geweldig", zegt co-auteur Jonathan Fortney, hoogleraar astronomie en astrofysica bij UCSC en directeur van het Other Worlds Laboratory.

Sterren en gasreuzenplaneten bestaan ​​voornamelijk uit de lichtste elementen, waterstof en helium, maar de overvloed aan zwaardere elementen - wat astronomen 'metalliciteit' noemen - is een cruciale factor bij de vorming van planeten, legde Fortney uit.

"Het vermogen om de hoeveelheid zware elementen in een planeet te bepalen, is van cruciaal belang om te begrijpen hoe deze is gevormd, en we zullen deze meetstok voor koolstofdioxide kunnen gebruiken voor een hele reeks exoplaneten om een ​​uitgebreid begrip op te bouwen van de samenstelling van reuzenplaneten ," zei hij.

Batalha's team observeerde WASP-39b als onderdeel van een JWST Early Release Science-programma om transiterende exoplaneten te bestuderen. Een transiterende planeet passeert voor zijn ster gezien vanaf de aarde, waardoor astronomen het sterlicht kunnen analyseren dat door de atmosfeer van de planeet gaat, waar gassen zoals koolstofdioxide bepaalde golflengten van licht absorberen.

Met behulp van de Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) op JWST verkreeg het team een ​​"transmissiespectrum" met hoge resolutie dat het licht laat zien dat door de atmosfeer van WASP-39b wordt doorgelaten, gescheiden in de samenstellende golflengten. Batalha zei dat de gegevens "prachtige lichtcurven" opleverden en aantoonden dat het NIRSpec-instrument de verwachtingen voor transmissiespectroscopie overtreft. Dit is een goed voorteken voor waarnemingen van kleine rotsplaneten, waarvan wordt verwacht dat ze koolstofdioxide in hun atmosfeer hebben (wanneer ze een atmosfeer hebben), maar die niet zo'n sterk signaal zullen geven als een gigantische planeet als WASP-39b.

"Deze detectie zal dienen als een nuttige maatstaf voor wat we kunnen doen om in de toekomst koolstofdioxide op terrestrische planeten te detecteren," zei Batalha. "Het is het meest waarschijnlijke atmosferische gas dat we met JWST zullen detecteren in terrestrische exoplaneetatmosferen."

Naast koolstofdioxide ontdekten de onderzoekers nog een ander interessant kenmerk in het spectrum van WASP-39b dat ze nog niet hebben geïdentificeerd. "Het is voorlopig een mysteriefunctie", zei Batalha. "In dit artikel hebben we ons gericht op een smal bereik van infraroodkleuren - dit is slechts een voorbeeld van de functies die we in het volledige spectrum verwachten te zien."

Fortney merkte op dat WASP-39b een vergelijkbare samenstelling lijkt te hebben als Saturnus. De metalliciteit van Saturnus is 10 keer die van de zon, en WASP-39b lijkt ook ongeveer 10 keer verrijkt te zijn met zware elementen ten opzichte van de zon.

"Dat is super interessant, en we zouden graag willen weten of alle planeten met de massa van Saturnus dezelfde metalliciteit hebben," zei hij. "Het was opwindend om dit in een ander systeem te zien, omdat we niet wisten wat we konden verwachten toen we van de planeten in ons zonnestelsel naar de atmosferen van exoplaneten gingen."

WASP-39b bevindt zich in het sterrenbeeld Maagd en is meer dan 20 keer dichter bij zijn ster dan de aarde bij de zon. Hoewel het ongeveer dezelfde massa heeft als Saturnus, is het minder dicht en ongeveer 50 procent groter, waarschijnlijk als gevolg van de opwarming van zo dicht bij zijn moederster. Eerdere waarnemingen toonden aan dat het een relatief heldere hemel heeft, waardoor het een goed doelwit is voor transmissiespectroscopie.

Toen de eerste gegevens van JWST in juli werden vrijgegeven, ontvingen de UCSC-exoplaneetonderzoekers 45 bezoekende astronomen voor het jaarlijkse Exoplanet-zomerprogramma van het Other Worlds Laboratory. "We zaten allemaal ineengedoken rond de laptop en kregen onze eerste blik op het spectrum en verwonderden ons erover", zei Batalha. "Het is een geweldig, bijna euforisch gevoel om voor het eerst iets te zien dat nog geen ander mens heeft gezien - dat is waar het in de wetenschap om draait." + Verder verkennen

Webb onthult in detail stomende atmosfeer van verre planeet