Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Webb presenteert het beste bewijs tot nu toe voor de atmosfeer van een rotsachtige exoplaneet

Dit kunstenaarsconcept laat zien hoe de exoplaneet 55 Cancri e eruit zou kunnen zien. Ook wel Janssen genoemd, 55 Cancri e is een zogenaamde superaarde, een rotsachtige planeet die aanzienlijk groter is dan de aarde maar kleiner dan Neptunus, die op een afstand van slechts 2,4 miljoen kilometer (0,015 astronomische eenheden) om zijn ster draait en daarmee één volledige baan voltooit. in minder dan 18 uur. Waarnemingen van JWST's NIRCam en MIRI suggereren dat de planeet mogelijk omgeven is door een atmosfeer die rijk is aan kooldioxide (CO2 ) of koolmonoxide (CO). Omdat hij zo dicht bij zijn ster staat, is de planeet extreem heet en wordt aangenomen dat hij bedekt is met gesmolten gesteente. Onderzoekers denken dat de gassen waaruit de atmosfeer bestaat, uit het magma kunnen zijn geborreld. Credit:Universiteit van Bern, Zwitserland

Onderzoekers die de James Webb-ruimtetelescoop van NASA/ESA/CSA gebruiken, hebben mogelijk een atmosfeer ontdekt rond 55 Cancri e, een rotsachtige exoplaneet op 41 lichtjaar van de aarde. Dit is het beste bewijs tot nu toe voor een rotsachtige planeetatmosfeer buiten ons zonnestelsel. Brice-Olivier Demory, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Bern en lid van het National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, maakte deel uit van het internationale onderzoeksteam dat zojuist de resultaten publiceerde in Nature .



55 Cancri e is een van de vijf bekende planeten die rond een zonachtige ster draaien in het sterrenbeeld Kreeft. Met een diameter die bijna twee keer zo groot is als die van de aarde en een iets grotere dichtheid, wordt de planeet geclassificeerd als een superaarde:groter dan de aarde, kleiner dan Neptunus, en qua samenstelling vergelijkbaar met de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel.

Brice-Olivier Demory van het Center for Space and Habitability CSH van de Universiteit van Bern en lid van de NCCR PlanetS is co-auteur van het onderzoek. Hij zegt:‘55 Cancri e is een van de meest enigmatische exoplaneten. Ondanks de enorme hoeveelheid waarnemingstijd die de afgelopen tien jaar is verkregen met een tiental grond- en ruimtefaciliteiten, is de aard ervan ongrijpbaar gebleven, tot op de dag van vandaag, toen delen van de puzzel zou eindelijk in elkaar kunnen worden gezet dankzij de James Webb Space Telescope (JWST)".

Onverwacht laten deze waarnemingen zien dat het mogelijk zou kunnen zijn dat een hete en sterk bestraalde rotsachtige planeet een gasachtige atmosfeer in stand houdt, en dit is een goed voorteken voor het vermogen van JWST om koelere – potentieel bewoonbare – rotsachtige planeten te karakteriseren die rond zonachtige sterren draaien.

Renyu Hu van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA leidde het team. "JWST verlegt echt de grenzen van de karakterisering van exoplaneten naar rotsachtige exoplaneten", zei Hu. "Het maakt echt een nieuw soort wetenschap mogelijk."

Bernruimtetelescoop CHEOPS heeft belangrijke bevindingen opgeleverd

Demory werd uitgenodigd voor het onderzoeksprogramma door Hu, een van zijn collega's toen hij aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) werkte. Demory bestudeert 55 Cancri e sinds het begin van zijn carrière. "Als postdoc bij MIT leidde ik de ontdekking van de eerste transit van 55 Cancri e, en in 2016 publiceerde mijn team de eerste kaart van een rotsachtige exoplaneet, namelijk 55 Cancri e." Het resultaat van 2016 duidde al op de mogelijke aanwezigheid van een atmosfeer rond 55 Cancri e.

Voor het huidige onderzoek voerde Demory een onafhankelijke analyse uit van de JWST-dataset. Hij legt uit:‘In de afgelopen twee jaar is de ruimtetelescoop CHEOPS, die is ontwikkeld en gebouwd aan de Universiteit van Bern, van cruciaal belang geweest bij het oplossen van verschillende vragen die astrofysici hadden over 55 Cancri e. JWST vulde dit beeld op infrarode golflengten aan door te laten zien dat de superaarde 55 Cancri e omgeven zou kunnen zijn door een atmosfeer met een samenstelling die consistent is met koolmonoxide of kooldioxide."

Een thermisch emissiespectrum vastgelegd door JWST's NIRCam (Near-Infrared Camera) in november 2022, en MIRI (MidInfrared Instrument) in maart 2023, toont de helderheid (y-as) van verschillende golflengten van infrarood licht (x-as) uitgezonden door de superaarde exoplaneet 55 Cancri e. Het spectrum laat zien dat de planeet mogelijk omgeven is door een atmosfeer die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide en andere vluchtige stoffen, en niet alleen aan verdampt gesteente. De grafiek vergelijkt gegevens verzameld door NIRCam (oranje stippen) en MIRI (paarse stippen) met twee verschillende modellen. Model A, in rood, laat zien hoe het emissiespectrum van 55 Cancri e eruit zou moeten zien als het een atmosfeer heeft die is gemaakt van verdampt gesteente. Model B, in het blauw, laat zien hoe het emissiespectrum eruit zou moeten zien als de planeet een atmosfeer heeft die rijk is aan vluchtige stoffen, ontgast uit een magma-oceaan met een vergelijkbare vluchtige inhoud als de aardmantel. Zowel MIRI- als NIRCam-gegevens komen overeen met het volatiele-rijke model. Credit:Illustratie:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Wetenschap:Renyu Hu (JPL), Aaron Bello-Arufe (JPL), Diana Dragomir (Universiteit van New Mexico)

Superhete superaarde en nog steeds koeler dan verwacht

Hoewel 55 Cancri e qua samenstelling vergelijkbaar is met de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel, zou de beschrijving ervan als "rotsachtig" een verkeerde indruk kunnen wekken. De planeet draait zo dicht rond zijn ster (een volledige baan duurt 18 uur, vergeleken met de 365 dagen van onze aarde) dat het oppervlak gesmolten moet zijn:een diepe, borrelende oceaan van magma. Met zo'n krappe baan is de planeet waarschijnlijk ook getijdenvast, met een dagzijde die altijd naar de ster is gericht en een nachtzijde die voortdurend in duisternis is. "De planeet is zo heet dat een deel van het gesmolten gesteente zou moeten verdampen", legt Hu uit.

Hoewel JWST geen direct beeld van 55 Cancri e kan vastleggen, kan het wel subtiele veranderingen in het licht van het systeem meten terwijl de planeet om de ster draait. Het team gebruikte de NIRCam (Near-Infrared Camera) en MIRI (Mid-Infrared Instrument) van JWST om infraroodlicht afkomstig van de planeet te meten.

Door de helderheid tijdens de secundaire zonsverduistering, wanneer de planeet zich achter de ster bevindt (alleen sterrenlicht), af te trekken van de helderheid wanneer de planeet vlak naast de ster staat (licht van de ster en de planeet samen), kon het team de hoeveelheid berekenen van infrarood licht dat op meerdere golflengten tegelijk van de dagzijde van de planeet komt.

De eerste indicatie dat 55 Cancri e een substantiële atmosfeer zou kunnen hebben, kwam van temperatuurmetingen op basis van de thermische emissie ervan, of warmte-energie die werd afgegeven in de vorm van infrarood licht. Als de planeet bedekt is met donker gesmolten gesteente met een dunne sluier van verdampt gesteente of helemaal geen atmosfeer, zou de dagzijde rond de 2200 graden Celsius moeten zijn.

"In plaats daarvan lieten de MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur zien van ongeveer 1500 graden Celsius", zei Hu. "Dit is een zeer sterke indicatie dat energie van de dagzijde naar de nachtzijde wordt gedistribueerd, hoogstwaarschijnlijk door een vluchtige, rijke atmosfeer."

Hoewel lavastromen enige warmte naar de nachtzijde kunnen transporteren, kunnen ze deze niet efficiënt genoeg verplaatsen om het verkoelende effect te verklaren. In feite ziet de dagzijde er honderden graden koeler uit dan zou moeten, zelfs als de hitte gelijkmatig over de planeet is verspreid. Dit is logisch als een deel van het infraroodlicht dat door het oppervlak wordt uitgezonden, door de atmosfeer wordt geabsorbeerd en de telescoop nooit bereikt.

Bubbelende magma-oceaan

Het team denkt dat de gassen die 55 Cancri e bedekken, uit het binnenland naar buiten borrelen. De primaire atmosfeer zou allang verdwenen zijn vanwege de hoge temperatuur en intense straling van de ster.

Dit zou een secundaire atmosfeer zijn die voortdurend wordt aangevuld door de magma-oceaan. Magma bestaat niet alleen uit kristallen en vloeibaar gesteente, er zit ook veel opgelost gas in.

Hoewel 55 Cancri e veel te heet is om bewoonbaar te zijn, zou het een uniek venster kunnen bieden voor het bestuderen van interacties tussen atmosferen, oppervlakken en interieurs van rotsachtige planeten, en misschien inzicht verschaffen in de vroege aarde, Venus en Mars, waarvan wordt gedacht dat ze ver in het verleden bedekt geweest met magma-oceanen. "Uiteindelijk willen we begrijpen welke omstandigheden het mogelijk maken dat een rotsachtige planeet een gasrijke atmosfeer in stand houdt:het belangrijkste ingrediënt voor een bewoonbare planeet", aldus Hu.

Meer informatie: Renyu Hu et al, Een secundaire atmosfeer op de rotsachtige exoplaneet 55 Cancri e, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07432-x

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Bern




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Zelfgemaakt skeletmodel
  2. Kan klimaatverandering de overdracht van malaria versnellen? Nieuw onderzoek werpt licht op de gevolgen van temperatuur
  3. Algemene kenmerken van Protista
  4. Studie decodeert dimerisatie en herkenning van antidepressiva op de noradrenalinetransporteur
  5. Inzicht in het mechanisme van schade door ultraviolet licht en kankerlaesies kan bijdragen aan antikankertherapie
  6. De natuur laat zien hoe bacteriën lignine afbreken en geeft beter inzicht om biobrandstoffen te maken
  7. Mysterie CRISPR ontgrendeld:een nieuwe bondgenoot tegen antibioticaresistentie?
  8. Wat is jaloezie? Hoe verschilt jaloezie van afgunst?
  9. Studie:Luchtwegheuvels dagen ons begrip van de longbiologie uit

Wetenschap