7-11-2023
Een groep wetenschappers, onder wie Michiel Min (SRON), heeft met de James Webb ruimtetelescoop voor het eerst ammoniak-isotopologen gemeten in de atmosfeer van een hemellichaam. Dit geeft astronomen nieuw gereedschap om te herleiden hoe gasreuzen worden gevormd. Publicatie in Nature.
Ze onthullen de oorsprong van wijn, de leeftijd van botten en fossielen, en helpen bij diagnostisering van ziekten: we hebben het over isotopen. Isotopen en isotopologen—moleculen die isotopen bevatten—spelen ook een steeds grotere rol in de sterrenkunde. De verhouding tussen de isotopen koolstof-12 (12C) en koolstof-13 (13C) in de atmosfeer van een exoplaneet verraadt bijvoorbeeld op welke afstand van zijn moederster hij is gevormd.
Tot nu toe was koolstofmonoxide, met 12C en 13C, de enige isotopoloog die in de atmosfeer van een exoplaneet was gemeten. Een groep onderzoekers van het MIRI European Consortium heeft nu voor het eerst ammoniak-isotopologen gevonden in de atmosfeer van een koude bruine dwerg. Ze hebben zowel 14NH3 als 15NH3 gemeten.
Bruine dwergen zijn hemellichamen op het grensvlak tussen sterren en planeten. Daarom kunnen ze dienen als modelsysteem om gasplaneten te bestuderen. In dit geval observeerde de onderzoeksgroep de bruine dwerg WISE J1828, op 32 lichtjaar van de aarde. Aan de sterrenhemel bevindt hij zich in het sterrenbeeld Lyra, maar je kunt hem niet met het blote oog zien omdat zijn oppervlak slechts 100 °C is. Het MIRI-instrument op de James Webb ruimtetelescoop is wel gevoelig genoeg om hem in infrarood waar te nemen.
Het spectrum van bruine dwerg WISE J1828 gemeten door het MIRI-instrument op de James Webb ruimtetelescoop. Het bevat de vingerafdrukken van water, methaan en ammoniak, zonder indicatie van wolken in de fotosfeer. De zoom-in toont een voorbeeld van een individuele 15NH3 vingerafdruk. De spectrale resolutie van het MIRI-instrument stelt ons in staat om die te zien.
Nieuwe indicator voor vorming van planeten
Het is nog steeds onduidelijk of gasreuzen ontstaan als een sneeuwbal die steeds meer materiaal aantrekt, of door een plaatselijke gravitationele instorting in de stofschijf rond een babyster. Rotsachtige planeten lijken het scenario van de sneeuwbal te doorlopen.
De verhouding tussen de twee isotopologen 14NH3 en 15NH3 blijkt nu een indicator voor de vorming van gasreuzen. Terwijl er op aarde 272 14N atomen zijn voor elk 15N atoom, hebben de wetenschappers van deze studie berekend dat de 14NH3/15NH3-verhouding in de atmosfeer van WISE J1828 ongeveer 670 is. Dit betekent dat de bruine dwerg minder 15N heeft verzameld tijdens zijn formatie dan de aarde.
Het proces dat de hoeveelheid isotopen stuurt is nog onvolledig begrepen, maar er wordt aangenomen dat komeetinslagen een planeet verrijken met 15N, omdat kometen twee- of driemaal meer 15N hebben. Kometen lijken de fundamentele bouwstenen van (in elk geval rotsachtige) planeten te zijn. Ze zorgen er bijvoorbeeld voor dat rotsachtige planeten een atmosfeer houden tijdens hun hete eerste ontwikkelstadium.
Een lage hoeveelheid 15N in het spectrum van WISE J1828 wijst erop dat hij niet als een sneeuwbal is gevormd—zoals rotsachtigeplaneten—maar door een gravitationele instorting—zoals sterren. Dit strookt ook met de verwachting, omdat bruine dwergen in feite sterren zijn. De 14NH3/15NH3-verhouding lijkt dus een goede indicator voor de vormingsgeschiedenis van een gasreus.
Publicatie
‘15NH3 in the atmosphere of a cool brown dwarf’, David Barrado, Paul Mollière, Polychronis Patapis, Michiel Min, Pascal Tremblin, Francisco Ardevol Martinez, Niall Whiteford, Malavika Vasist, Ioannis Argyriou, Matthias Samland, Pierre-Olivier Lagage, Leen Decin, Rens Waters, Thomas Henning, María Morales-Calderón, Manuel Guedel, Bart Vandenbussche, Olivier Absil, Pierre Baudoz, Anthony Boccaletti, Jeroen Bouwman, Christophe Cossou, Alain Coulais, Nicolas Crouzet, René Gastaud, Alistair Glasse, Adrian M. Glauser, Inga Kamp, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Mueller, Göran Olofsson, John Pye, Daniel Rouan, Pierre Royer, Silvia Scheithauer, Ingo Waldmann, Luis Colina, Ewine F. van Dishoeck, Tom Ray, Göran Östlin & Gillian Wright, Nature
7 November 2023
Ammonia indicator for planet formation history
A group of scientists, including Michiel Min (SRON), have for the first time observed ammonia isotopologues in the atmosphere of a celestial body. They used the James Webb Space Telescope. It gives astronomers new tools to deduce how gas giants are formed. Publication in Nature.
They reveal the origin of wine, the age of bones and fossils, and help diagnose diseases: we are talking about isotopes. Isotopes and isotopologues—molecules that contain isotopes—also play an increasingly important role in astronomy. For example, the ratio of the isotopes carbon-12 (12C) to carbon-13 (13C) in an exoplanet’s atmosphere reveals how far away from its parent star it was formed.
Thusfar carbon monoxide—with 12C and 13C—has been the only isotopologue ever measured in the atmosphere of an exoplanet. A group of researchers from the MIRI European Consortium have now for the first time found ammonia isotopologues in the atmosphere of a cold brown dwarf. They measured both 14NH3 and 15NH3.
Brown dwarfs are celestial bodies at the interface between stars and planets. They can therefore serve as a model system to study giant gas planets. In this case, the research group observed the brown dwarf WISE J1828, located 32 light-years from Earth. In the night sky it is located in the constellation Lyra, but you cannot see it with the naked eye because its surface is only 100 °C. The MIRI instrument on the James Webb space telescope is sensitive enough to observe it in infrared.
The spectrum of brown dwarf WISE J1828 measured by the MIRI instrument on the James Webb Space Telescope. It contains the fingerprints of water, methane and ammonia, with no indication of clouds in the photosphere. The zoom-in shows an example of an individual 15NH3 fingerprint. The spectral resolution of the MIRI instrument allows us to see them.
New indicator for planet formation
It is still unclear whether gas giants form like a snowball attracting more and more material, or through a local gravitational collapse in the protoplanetary disk around a baby star. Rocky planets seem to play out the snowball scenario.
The ratio between the two isotopologues 14NH3 to 15NH3 now appears to be an indicator for the formation of gas giants. While on Earth there are 272 14N atoms for every 15N atom, the scientists in this study calculated that the 14NH3/15NH3 ratio in WISE J1828’s atmosphere is approximately 670. This means that the brown dwarf accumulated less 15N during its formation than Earth.
The process that controls the amount of isotopes is still incompletely understood, but it is believed that comet impacts enrich a planet with 15N because comets have two or three times more 15N. Comets appear to be the basic building blocks of (at least rocky) planets. For example, they ensure that rocky planets maintain an atmosphere during their hot early stages of development.
A low amount of 15N in WISE J1828’s spectrum indicates that it was not formed as a snowball—like rocky planets—but by a gravitational collapse—like stars. This is also in line with expectations, because brown dwarfs are in fact stars. The 14NH3/15NH3 ratio therefore seems to be a good indicator of the formation history of a gas giant.
This is an edited version of a press release by Andreas Jäger (D-PHYS, ETH Zurich)
Publicatie
‘15NH3 in the atmosphere of a cool brown dwarf’, David Barrado, Paul Mollière, Polychronis Patapis, Michiel Min, Pascal Tremblin, Francisco Ardevol Martinez, Niall Whiteford, Malavika Vasist, Ioannis Argyriou, Matthias Samland, Pierre-Olivier Lagage, Leen Decin, Rens Waters, Thomas Henning, María Morales-Calderón, Manuel Guedel, Bart Vandenbussche, Olivier Absil, Pierre Baudoz, Anthony Boccaletti, Jeroen Bouwman, Christophe Cossou, Alain Coulais, Nicolas Crouzet, René Gastaud, Alistair Glasse, Adrian M. Glauser, Inga Kamp, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Mueller, Göran Olofsson, John Pye, Daniel Rouan, Pierre Royer, Silvia Scheithauer, Ingo Waldmann, Luis Colina, Ewine F. van Dishoeck, Tom Ray, Göran Östlin & Gillian Wright, Nature
