Wetenschap
Exoplaneten op ware grootte:nieuwe modelberekeningen tonen de impact van de helderheid van sterren en magnetische activiteit
In het sterrenbeeld Maagd, op 700 lichtjaar afstand van de aarde, draait de planeet WASP-39b rond de ster WASP-39. De gasreus, die iets meer dan vier dagen nodig heeft om één baan te voltooien, is een van de best bestudeerde exoplaneten. Kort na de inbedrijfstelling in juli 2022 richtte NASA's James Webb-ruimtetelescoop zijn uiterst nauwkeurige blik op de verre planeet.
Uit de gegevens bleek dat er grote hoeveelheden waterdamp, methaan en zelfs, voor het eerst, koolstofdioxide in de atmosfeer van WASP-39b aanwezig waren. Een kleine sensatie, maar er zit toch een vlieg in de zalf:onderzoekers zijn er nog niet in geslaagd om alle cruciale details van de waarnemingen in modelberekeningen te reproduceren. Dit staat een nog nauwkeurigere analyse van de gegevens in de weg.
In de nieuwe studie onder leiding van de MPS laten de auteurs, waaronder onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (VS), het Space Telescope Science Institute (VS), Keele University (Verenigd Koninkrijk) en de Universiteit van Heidelberg (Duitsland), zien een manier om dit obstakel te overwinnen.
“De problemen die zich voordoen bij het interpreteren van de gegevens van WASP-39b zijn bekend van veel andere exoplaneten – ongeacht of ze worden waargenomen met Kepler, TESS, James Webb of het toekomstige PLATO-ruimtevaartuig”, legt MPS-wetenschapper Dr. Nadiia Kostogryz, eerste auteur, uit. van de nieuwe studie. "Net als bij andere sterren waar exoplaneten omheen draaien, is de waargenomen lichtcurve van WASP-39 vlakker dan eerdere modellen kunnen verklaren."
Onderzoekers definiëren een lichtcurve als een meting van de helderheid van een ster over een langere periode. De helderheid van een ster fluctueert bijvoorbeeld voortdurend, omdat de helderheid ervan onderhevig is aan natuurlijke schommelingen. Exoplaneten kunnen ook sporen achterlaten in de lichtcurve. Als een exoplaneet voor zijn ster langs beweegt, zoals gezien door een waarnemer, dimt hij het sterlicht.
Dit wordt in de lichtcurve weerspiegeld als een regelmatig terugkerende helderheidsdaling. Nauwkeurige evaluaties van dergelijke curven verschaffen informatie over de omvang en de omlooptijd van de planeet. Onderzoekers kunnen ook informatie verkrijgen over de samenstelling van de atmosfeer van de planeet als het licht van de ster wordt opgesplitst in verschillende golflengten of kleuren.
De helderheidsverdeling van een ster van dichtbij bekeken
De ledemaat van een ster, de rand van de stellaire schijf, speelt een beslissende rol bij de interpretatie van zijn lichtcurve. Net als bij de zon lijkt het ledemaat voor de waarnemer donkerder dan het binnengebied. Verderop schijnt de ster echter niet minder helder. ‘Omdat de ster een bol is en het oppervlak gebogen is, kijken we aan de rand in hogere en dus koelere lagen dan in het midden’, legt co-auteur en MPS-directeur prof. dr. Laurent Gizon uit. "Dit gebied lijkt ons daarom donkerder", voegt hij eraan toe.
Het is bekend dat het donker worden van ledematen de exacte vorm van het exoplaneetsignaal in de lichtcurve beïnvloedt:het dimmen bepaalt hoe sterk de helderheid van een ster daalt tijdens een planetaire transit en vervolgens weer stijgt. Het is echter niet mogelijk geweest om waarnemingsgegevens nauwkeurig te reproduceren met behulp van conventionele modellen van de sterrenatmosfeer. De afname van de helderheid was altijd minder abrupt dan de modelberekeningen suggereerden.
“Het was duidelijk dat we een cruciaal stukje van de puzzel misten om het signaal van de exoplaneten precies te begrijpen”, zegt MPS-directeur prof. dr. Sami Solanki, co-auteur van de huidige studie.
Magnetisch veld is het ontbrekende stukje van de puzzel
Zoals de vandaag gepubliceerde berekeningen laten zien, is het ontbrekende stukje van de puzzel het stellaire magnetische veld. Net als de zon genereren veel sterren diep in hun binnenste een magnetisch veld door enorme stromen heet plasma. Voor het eerst konden de onderzoekers nu het magnetische veld opnemen in hun modellen van verduistering van ledematen.
Ze zouden kunnen aantonen dat de sterkte van het magnetische veld een belangrijk effect heeft:de verduistering van de ledematen is uitgesproken bij sterren met een zwak magnetisch veld, terwijl deze zwakker is bij sterren met een sterk magnetisch veld.
De onderzoekers konden ook bewijzen dat de discrepantie tussen waarnemingsgegevens en modelberekeningen verdwijnt als het magnetische veld van de ster in de berekeningen wordt meegenomen. Daartoe heeft het team gebruik gemaakt van geselecteerde gegevens van NASA's Kepler-ruimtetelescoop, die tussen 2009 en 2018 het licht van duizenden en duizenden sterren heeft vastgelegd.
In de eerste stap modelleerden de wetenschappers de atmosfeer van typische Kepler-sterren in de aanwezigheid van een magnetisch veld. In een tweede stap genereerden ze vervolgens ‘kunstmatige’ observatiegegevens uit deze berekeningen. Zoals uit een vergelijking met de echte gegevens blijkt, worden de Kepler-gegevens met succes gereproduceerd door het magnetische veld erbij te betrekken.
Het team breidde zijn overwegingen ook uit naar gegevens van de James Webb-ruimtetelescoop. De telescoop is in staat het licht van verre sterren op te splitsen in de verschillende golflengten en zo te zoeken naar de karakteristieke kenmerken van bepaalde moleculen in de atmosfeer van de ontdekte planeten.
Het blijkt dat het magnetische veld van de moederster de verduistering van de stellaire ledematen op verschillende golflengten anders beïnvloedt. Daarom moet er bij toekomstige evaluaties rekening mee worden gehouden om nog nauwkeurigere resultaten te bereiken.
Van telescopen tot modellen
‘In de afgelopen decennia en jaren was de manier om vooruitgang te boeken in het onderzoek naar exoplaneten het verbeteren van de hardware, de ruimtetelescopen die zijn ontworpen om nieuwe werelden te zoeken en te karakteriseren. De James Webb-ruimtetelescoop heeft deze ontwikkeling tot nieuwe grenzen gedreven’, zegt dr. Alexander Shapiro, co-auteur van de huidige studie en hoofd van een onderzoeksgroep bij de MPS. "De volgende stap is nu het verbeteren en verfijnen van de modellen om deze uitstekende gegevens te interpreteren", voegt hij eraan toe.
Om deze ontwikkeling nog verder te bevorderen, willen de onderzoekers hun analyses nu uitbreiden naar sterren die duidelijk verschillen van de zon. Bovendien bieden hun bevindingen de mogelijkheid om de lichtcurven van sterren met exoplaneten te gebruiken om de sterkte van het stellaire magnetische veld af te leiden, dat anders vaak moeilijk te meten is.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy .