Een nieuwe studie laat zien hoe de chemicaliën in de atmosfeer van een exoplaneet in sommige gevallen kunnen onthullen of de temperatuur op het oppervlak te hoog is voor vloeibaar water.

In ons zonnestelsel zijn planeten ofwel klein en rotsachtig (zoals de aarde) of groot en gasvormig (zoals Neptunus). Maar rond andere sterren hebben astronomen planeten gevonden die daartussenin vallen - werelden die iets groter zijn dan de aarde maar kleiner dan Neptunus. Deze planeten hebben misschien rotsachtige oppervlakken of oceanen met vloeibaar water, maar de meeste hebben waarschijnlijk een atmosfeer die vele malen dikker is dan die van de aarde en ondoorzichtig is.

In de nieuwe studie, aanvaard in de Astrophysical Journal Letters , laten onderzoekers zien hoe de chemie van die atmosferen aanwijzingen zou kunnen onthullen over wat eronder ligt, met name welke planeten te heet zijn om oceanen met vloeibaar water te ondersteunen. Omdat vloeibaar water een noodzakelijk ingrediënt is voor het leven zoals wij dat kennen, kan deze techniek wetenschappers helpen hun zoektocht naar potentieel bewoonbare exoplaneten of planeten buiten ons zonnestelsel te verkleinen. Meer dan 4.500 exoplaneten zijn bevestigd in onze melkweg, met meer dan 7.700 kandidaten die nog moeten worden bevestigd, maar wetenschappers schatten dat er honderden miljarden exoplaneten in onze melkweg bestaan.

Sommige NASA-ruimtetelescopen die zijn uitgerust met spectrometers, kunnen de chemische samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet onthullen. Een chemisch profiel van de aarde zou geen foto's kunnen onthullen van, laten we zeggen, koeien of mensen op het aardoppervlak, maar het zou koolstofdioxide en methaan laten zien geproduceerd door zoogdieren, en zuurstof geproduceerd door bomen. Geen van deze chemicaliën alleen zou een teken van leven zijn, maar in combinatie zouden ze wijzen op de mogelijkheid dat onze planeet bewoond is.

Het nieuwe artikel laat zien welke chemicaliën kunnen wijzen op verborgen oceanen op exoplaneten tussen 1,7 en 3,5 keer de diameter van de aarde. Aangezien Neptunus ongeveer vier keer de diameter van de aarde heeft, worden deze planeten soms "sub-Neptunes" genoemd.

Een dikke atmosfeer op een planeet onder Neptunus zou warmte op het oppervlak vasthouden en de temperatuur verhogen. Als de atmosfeer een bepaalde drempel bereikt - meestal ongeveer 1430 graden Fahrenheit (770 graden Celsius) - zal deze een proces ondergaan dat thermochemisch evenwicht wordt genoemd en dat zijn chemische profiel verandert. Nadat het thermochemisch evenwicht is opgetreden - en ervan uitgaande dat de atmosfeer van de planeet grotendeels uit waterstof bestaat, wat typisch is voor gasvormige exoplaneten - zullen koolstof en stikstof voornamelijk in de vorm van methaan en ammoniak aanwezig zijn.

Die chemicaliën zouden grotendeels ontbreken in een koelere, dunnere atmosfeer waar geen thermochemisch evenwicht heeft plaatsgevonden. In dat geval zouden de dominante vormen van koolstof en stikstof kooldioxide en moleculen van twee stikstofatomen zijn.

Een oceaan met vloeibaar water onder de atmosfeer zou volgens de studie extra tekenen achterlaten, waaronder de afwezigheid van bijna alle verdwaalde ammoniak, die in de oceaan zou worden opgelost. Ammoniakgas is zeer goed oplosbaar in water, afhankelijk van de pH van de oceaan (de zuurgraad). Over een breed scala van aannemelijke pH-waarden van de oceaan ontdekten de onderzoekers dat de atmosfeer vrijwel vrij van ammoniak zou moeten zijn als er een enorme oceaan onder ligt.

Bovendien zou er meer kooldioxide dan koolmonoxide in de atmosfeer zijn; daarentegen zou er na thermochemisch evenwicht meer koolmonoxide dan kooldioxide moeten zijn als er detecteerbare hoeveelheden van een van beide zijn.

"Als we de kenmerken van thermochemisch evenwicht zien, zouden we concluderen dat de planeet te heet is om bewoonbaar te zijn", zegt Renyu Hu, een onderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, die het onderzoek leidde. "Omgekeerd, als we de kenmerken van thermochemisch evenwicht niet zien en ook geen kenmerken van gas dat is opgelost in een oceaan van vloeibaar water, zouden we die als een sterke indicatie van bewoonbaarheid beschouwen."

NASA's James Webb Space Telescope, die op 18 december wordt gelanceerd, zal een spectrometer dragen die in staat is om exoplaneetatmosferen te bestuderen. Wetenschappers zoals Hu proberen te anticiperen op wat voor soort chemische profielen Webb in die atmosferen zal zien en wat ze zouden kunnen onthullen over deze verre werelden. Het observatorium heeft de mogelijkheid om tekenen van thermochemisch evenwicht in sub-Neptunus-atmosferen te identificeren - met andere woorden, tekenen van een verborgen oceaan - zoals geïdentificeerd in de krant.

Als Webb nieuwe planeten ontdekt of meer diepgaande studies van bekende planeten doet, kan deze informatie wetenschappers helpen beslissen welke van hen aanvullende observaties waard zijn, vooral als wetenschappers zich willen richten op planeten die mogelijk leven bevatten.

"We hebben geen direct observationeel bewijs om ons te vertellen wat de gemeenschappelijke fysieke kenmerken van sub-Neptunes zijn," zei Hu. "Velen van hen hebben misschien enorme waterstofatmosferen, maar nogal wat kunnen nog steeds 'oceaanplaneten' zijn. Ik hoop dat dit artikel in de nabije toekomst nog veel meer observaties zal motiveren om erachter te komen."