Wetenschap
Wolken bedekken de nachtzijde van de hete exoplaneet WASP-43b
Met behulp van de James Webb Space Telescope (JWST) heeft een team van astronomen, waaronder wetenschappers van MPIA, een mondiale temperatuurkaart gemaakt van de hete, gasreus exoplaneet WASP-43b. De nabijgelegen moederster verlicht voortdurend één halfrond, waardoor de temperatuur stijgt tot een zinderende 1250°C. Ondertussen hult de eeuwige nacht de andere kant.
Hevige wind transporteert de verschroeiende hete lucht naar de nachtzijde, waar het afkoelt tot 600°C, waardoor wolken zich kunnen vormen en het hele halfrond kunnen bedekken. Deze stormen belemmeren de chemische reacties zozeer dat er nauwelijks methaan kan worden gevormd, ook al zou dit onder kalmere omstandigheden overvloedig aanwezig moeten zijn.
Hete Jupiters zijn exoplaneten van extreme gasreuzen die dicht bij hun gaststerren draaien, wat leidt tot verschillende exotische eigenschappen op het gebied van temperatuur, dichtheid, samenstelling, chemie en weer. Met de komst van baanbrekend gevoelige telescopen, zoals de James Webb Space Telescope (JWST), zijn astronomen begonnen hun atmosfeer tot in detail te bestuderen.
Een internationale samenwerking van astronomen, het JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS)-team, observeerde de hete Jupiter WASP-43b met JWST's Mid-Infrared Instrument (MIRI) om het klimaat ervan te bestuderen.
De resultaten van dat onderzoek onder leiding van Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, VS) zijn gepubliceerd in Nature Astronomy .
Een extreme wereld zoals niets in het zonnestelsel
Het centrale resultaat is een kaart die de mondiale temperatuurverdeling schetst, afgeleid van het infraroodlicht dat WASP-43b uitzendt als reactie op de bestraling door zijn gastster. Door een spectraal bereik te bestrijken dat gevoelig is voor warme materialen, werkt MIRI vergelijkbaar met een contactloze thermometer die wordt gebruikt om de lichaamstemperatuur te meten, maar dan over grote afstanden, oplopend tot 280 lichtjaar voor WASP-43b.
Op deze kaart liggen de gemeten temperaturen tussen 600°C en 1250°C. Op basis van vergelijkbare waarnemingen bereikt Jupiter, de gasreus in het zonnestelsel, daarentegen een vrieskoude van -135°C.
Hoewel het qua grootte en massa vergelijkbaar is met Jupiter, is het een heel andere wereld. WASP-43b onderhoudt een uitzonderlijk krappe baan rond zijn moederster, WASP-43, beweegt zich slechts twee stellaire diameters boven het oppervlak van de ster en voltooit zijn baan in slechts 19,5 uur. De kleine scheiding had tot gevolg dat de dag en het jaar van de planeet gesynchroniseerd raakten. Met andere woorden:het ronddraaien om de ster duurt even lang als de planeet nodig heeft om om zijn as te draaien. Bijgevolg verlicht en verwarmt de ster altijd dezelfde kant van de planeet.
Winden voeren de lucht naar het tegenovergestelde halfrond, waar het in de eeuwige nacht afkoelt. Op WASP-43b zijn deze winden echter extreem hevig, met windsnelheden die bijna 9.000 km per uur bereiken, wat meer is dan alles wat we in het zonnestelsel zien. Ter vergelijking:zelfs de sterkste winden op Jupiter zijn slechts een milde bries.
Waterdamp, vloeibare rotswolken en een verrassend gebrek aan methaan
"Met Hubble konden we duidelijk zien dat er aan de dagzijde waterdamp is. Zowel Hubble als Spitzer suggereerden dat er mogelijk wolken aan de nachtzijde zouden kunnen zijn", legt Bell uit. "Maar we hadden nauwkeurigere metingen van JWST nodig om de temperatuur, bewolking, wind en meer gedetailleerde atmosferische samenstelling over de hele planeet echt in kaart te kunnen brengen."
Uit de JWST-waarnemingen bleek dat het temperatuurcontrast tussen de dag- en de nachtzijde sterker was dan je zou verwachten voor een wolkenvrije atmosfeer. Modelberekeningen bevestigen dat de nachtzijde van de planeet hoog in de atmosfeer gehuld is in een dikke laag wolken, die een groot deel van de infraroodstraling van onderaf blokkeert die we anders zouden zien.
De exacte soorten wolken zijn nog onbekend. Het zullen duidelijk geen waterwolken zijn zoals die op aarde, laat staan de ammoniakwolken die we op Jupiter zien, aangezien de planeet veel te heet is om water en ammoniak te laten condenseren. In plaats daarvan is de kans groter dat er bij deze temperaturen wolken van rotsen en mineralen aanwezig zijn. Daarom mogen we wolken verwachten die gemaakt zijn van vloeibare rotsdruppeltjes. Aan de andere kant lijkt de warmere dagzijde van WASP-43b wolkenvrij te zijn.
Om de samenstelling van de atmosfeer gedetailleerder te onderzoeken, produceerde het team spectra, dat wil zeggen dat ze het ontvangen infraroodlicht opsplitsten in kleine golflengtesecties, vergelijkbaar met een regenboog die de kleurcomponenten van het zonlicht onthult. Met deze methode konden ze de signatuur identificeren van individuele chemische verbindingen die op specifieke golflengten uitstralen.
Als gevolg hiervan bevestigden de astronomen eerdere metingen van waterdamp, maar nu over de hele planeet. Hubble kon alleen de dagzijde bestuderen, omdat de nachtzijde te donker was om daar moleculen te herkennen. JWST, met zijn hogere gevoeligheid, maakt het plaatje nu compleet.
Bovendien herbergen hete Jupiters doorgaans grote hoeveelheden moleculair waterstof en koolmonoxide, die beide niet konden worden onderzocht met de waarnemingen van het team. Wanneer ze echter worden blootgesteld aan de koelere nachtzijde, nemen waterstof en koolmonoxide deel aan een reeks reacties die methaan en water zouden produceren. MIRI heeft echter geen methaan aangetroffen.
De astronomen verklaren deze verrassing met de enorme windsnelheden op WASP-43b. De reactiepartners passeren de koelere nachtzijde zo snel dat er weinig tijd overblijft voor de verwachte chemische reacties om detecteerbare hoeveelheden methaan te produceren. Elke kleine fractie methaan wordt grondig gemengd met de andere gassen. Hij bereikt snel weer de dagzijde, waar hij wordt blootgesteld aan de vernietigende hitte.
"Met de nieuwe waarnemingskracht van JWST is WASP-43b in ongekend detail onthuld", zegt Laura Kreidberg, directeur van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland. Ze is co-auteur van het onderliggende onderzoeksartikel en onderzoekt de planeet al tien jaar.
‘We zien een complexe, onherbergzame wereld, met hevige winden, enorme temperatuurveranderingen en fragmentarische wolken die waarschijnlijk uit rotsdruppeltjes bestaan. WASP-43b herinnert aan het enorme scala aan klimaten dat mogelijk is op exoplaneten en de vele manieren waarop de aarde is bijzonder."
Een planetaire carrousel observeren
WASP-43b werd in 2011 ontdekt via de transitmethode. Wanneer de baan van een exoplaneet zo is georiënteerd dat hij, vanuit ons perspectief, voor zijn gastster langs beweegt, blokkeert de occultatie een klein deel van het sterlicht. Deze periodieke dalingen in de helderheid van de ster zijn een duidelijk teken dat er een object rond de ster draait. Dankzij de exacte vorm kunnen de afmetingen en de kanteling van de baan van de planeet worden berekend.
Astronomen maken gebruik van een secundair effect om de planeet in detail te bestuderen. Stel je voor dat Venus tijdens zijn baan rond de zon de verlichting verandert, die lijkt op maanfasen. Transiterende exoplaneten vertonen verschillende fasen van infraroodemissie op vrijwel dezelfde manier, afhankelijk van hoe de ster de dagzijde verwarmt.
Het observeren van de geleidelijke verandering van verhoudingen die we zien van de hete en koele hemisferen resulteert in een karakteristiek patroon van hoe de gemeten infraroodhelderheid van de planeet in de tijd varieert. Door dit minuscule signaal, de zogenaamde fasecurve, te analyseren, konden de astronomen die van WASP-43b ontvingen de temperatuurkaart construeren en de gassen lokaliseren waaruit de atmosfeer van de planeet bestaat.
De toekomst is infrarood-helder
Een vervolgstudie door een ander team onder leiding van voormalig MPIA-wetenschapper Stephan Birkmann (European Space Agency, ESA) zal kijken naar WASP-43b met JWST's Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec). Deze metingen zullen gevoelig zijn voor koolmonoxidegas dat in de hele atmosfeer aanwezig zou moeten zijn.
Bovendien zal de uitgebreide golflengtedekking de betrouwbaarheid van de MIRI-temperatuurkaart verbeteren en helpen de wolkenverdeling en -samenstelling nauwkeuriger te onderzoeken.