Waarom is de warme gasreus WASP-107 b zo gezwollen? Twee onafhankelijke onderzoeksteams hebben een antwoord. Uit gegevens die zijn verzameld met de James Webb-ruimtetelescoop van de NASA, in combinatie met eerdere waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van de NASA, blijkt dat er verrassend weinig methaan (CH4) in de atmosfeer van de planeet zit. Dit wijst erop dat het inwendige van WASP-107 b aanzienlijk heter en de kern veel massiever moet zijn dan eerder werd aangenomen. Men denkt dat de onverwacht hoge temperatuur het gevolg is van getijdenverwarming die wordt veroorzaakt door de enigszins niet-cirkelvormige baan van de planeet.
Dit kan verklaren hoe WASP-107 b zo opgeblazen kan zijn zonder dat we onze toevlucht hoeven te nemen tot extreme theorieën over hoe hij is ontstaan. De resultaten, die mogelijk zijn gemaakt door de buitengewone gevoeligheid van Webb en de daarmee samenhangende mogelijkheid om licht te meten dat door de atmosfeer van exoplaneten gaat, kunnen de zwelling van tientallen exoplaneten met een lage dichtheid verklaren en een al lang bestaand mysterie in de exoplaneetwetenschap helpen oplossen.
Het probleem met WASP-107 b
Met meer dan driekwart van het volume van Jupiter maar minder dan een tiende van de massa is de "warme Neptunus" exoplaneet WASP-107 b een van de minst dichte planeten die we kennen. Hoewel gezwollen planeten niet ongewoon zijn, zijn de meeste heter en massiever, en dus makkelijker te verklaren. "Op basis van zijn straal, massa, leeftijd en veronderstelde inwendige temperatuur dachten we dat WASP-107 b een heel kleine, rotsachtige kern had, omgeven door een enorme massa waterstof en helium," legt Luis Welbanks van de Arizona State University (ASU) uit, hoofdauteur van een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd. "Maar het was moeilijk te begrijpen hoe zo'n kleine kern zoveel gas kon opzuigen en vervolgens niet volledig kon uitgroeien tot een planeet van Jupitermassa."
Als WASP-107 b in plaats daarvan meer massa in de kern heeft, dan zou de atmosfeer moeten zijn gekrompen toen de planeet in de loop der tijd afkoelde. Zonder een warmtebron die het gas weer doet uitzetten, zou de planeet veel kleiner moeten zijn. Hoewel WASP-107 b een baanafstand van slechts 5 miljoen kilometer heeft (een zevende van de afstand tussen Mercurius en de zon), ontvangt hij niet genoeg energie van zijn ster om zo opgeblazen te zijn. "WASP-107 b is zo'n interessant doelwit voor Webb omdat hij aanzienlijk koeler en meer Neptunusachtig van massa is dan veel van de andere planeten met een lage dichtheid, de hete Jupiters, die we bestudeerd hebben", zegt David Sing van de Johns Hopkins University (JHU), hoofdauteur van een parallel onderzoek dat vandaag ook in Nature gepubliceerd wordt. "Als gevolg daarvan zouden we methaan en andere moleculen moeten kunnen detecteren die ons informatie kunnen geven over zijn chemie en interne dynamica die we niet kunnen krijgen van een hetere planeet."
Een schat aan eerder niet waarneembare moleculen
De reusachtige straal van WASP-107 b, zijn uitgebreide atmosfeer en zijn baan op de rand van de planeet maken hem ideaal voor transmissiespectroscopie, een methode die wordt gebruikt om de verschillende gassen in de atmosfeer van een exoplaneet te identificeren op basis van hoe ze het sterlicht beïnvloeden. Door waarnemingen van Webb's NIRCam (Near-Infrared Camera), Webb's MIRI (Mid-Infrared Instrument) en Hubble's WFC3 (Wide Field Camera 3) te combineren, kon het team van Welbanks een breed spectrum samenstellen van 0,8- tot 12,2-micron licht dat door de atmosfeer van WASP-107 b wordt geabsorbeerd. Met behulp van Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) bouwde het team van Sing een onafhankelijk spectrum van 2,7 tot 5,2 micron. De nauwkeurigheid van de gegevens maakt het mogelijk om niet alleen de hoeveelheden van een groot aantal moleculen te detecteren, maar deze ook daadwerkelijk te meten, waaronder waterdamp (H2O), methaan (CH4), kooldioxide (CO2), koolmonoxide (CO), zwaveldioxide (SO2) en ammoniak (NH3).
Kolkend gas, hete binnenkant en enorme kern
Beide spectra laten een verrassend gebrek aan methaan zien in de atmosfeer van WASP-107 b: een duizendste van de hoeveelheid die verwacht werd op basis van de aangenomen temperatuur. "Dit bewijst dat het hete gas diep in de planeet zich sterk moet mengen met de koelere lagen hogerop," legt Sing uit. "Methaan is instabiel bij hoge temperaturen. Het feit dat we zo weinig hebben gedetecteerd, ook al hebben we wel andere koolstofhoudende moleculen gedetecteerd, vertelt ons dat het inwendige van de planeet aanzienlijk heter moet zijn dan we dachten." Een waarschijnlijke bron van de extra interne energie van WASP-107 b is getijdeverwarming veroorzaakt door zijn licht elliptische baan. Omdat de afstand tussen de ster en de planeet continu verandert tijdens de 5,7-daagse baan, verandert ook de zwaartekracht, waardoor de planeet wordt uitgerekt en opgewarmd.
Onderzoekers hadden eerder voorgesteld dat getijdenwarmte de oorzaak zou kunnen zijn van de wallen van WASP-107 b, maar totdat de Webb-resultaten binnen waren, was er geen bewijs. Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat de planeet genoeg interne hitte heeft om de atmosfeer grondig op te blazen, realiseerden de teams zich dat de spectra ook een nieuwe manier konden zijn om de grootte van de kern te schatten. "Als we weten hoeveel energie er in de planeet zit en we weten welk deel van de planeet bestaat uit zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof, zuurstof en zwavel en hoeveel uit waterstof en helium, dan kunnen we berekenen hoeveel massa er in de kern moet zitten," legt Daniel Thorngren van JHU uit.
Het blijkt dat de kern minstens twee keer zo massief is als oorspronkelijk geschat, wat logischer is als je bedenkt hoe planeten zich vormen. Alles bij elkaar is WASP-107 b niet zo mysterieus als het ooit leek. "De gegevens van Webb vertellen ons dat planeten zoals WASP-107 b niet op een vreemde manier gevormd hoeven te worden met een superkleine kern en een enorm gasachtig omhulsel," legt Mike Line van ASU uit. "In plaats daarvan kunnen we iets nemen dat meer op Neptunus lijkt, met veel gesteente en niet zoveel gas, de temperatuur verhogen en het er zo laten uitzien."
De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency).
Bron: NASA
