Astronomen hebben met de James Webb ruimtetelescoop het infraroodspectrum gemeten van een rotsachtige planeet in het veelbelovende planetenstelsel rond de ster TRAPPIST-1. Dit komt overeen met een planeet die vol ligt met vulkanisch gesteente. Een ander scenario bevat een atmosfeer vol CO2 en smog. Het team, onder wie Michiel Min (SRON), publiceert de resultaten op 16 december in Nature Astronomy.
Artist impression van TRAPPIST-1b. Credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
In de zoektocht naar buitenaards leven is het planetenstelsel rondom de ster TRAPPIST-1 een van de meest veelbelovende plekken om een leefbare omgeving te vinden. Het bestaat uit zeven rotsachtige planeten, waarvan drie zelfs op een afstand tot de moederster waar de temperatuur rond die van vloeibaar water ligt. Een internationaal team van astronomen, onder wie Michiel Min (SRON), heeft nu met de James Webb ruimtetelescoop gekeken naar de planeet TRAPPIST-1b, die het dichtste bij de moederster ligt.
Het team mat de infraroodstraling die TRAPPIST-1b uitzendt op een specifieke infraroodgolflengte—12,8 micron. Die blijkt een stuk zwakker te zijn dan bij eerdere waarnemingen op een infraroodgolflengte van 15 micron. Een simpele donkere bol zonder atmosfeer is daarmee uitgesloten, want die zou veel meer straling uitzenden dan de nieuwe metingen laten zien.
Een atmosfeerloze planeet met vulkanisch gesteente vol mineralen past beter bij de metingen. Maar een interessanter scenario is ook mogelijk: TRAPPIST-1b heeft een dikke atmosfeer gevuld met CO2 en smog—een nevel van koolstofdeeltjes. Die smog absorbeert veel sterlicht in de bovenlagen van de atmosfeer waardoor die heter zijn dan de onderste lagen. Hetzelfde gebeurt in de stratosfeer op Aarde. Onze telescopen vangen op die manier het licht op van deze warme bovenlaag, inclusief de bijbehorende vingerafdruk in het spectrum. Die bevat inderdaad meer straling van 15 micron dan van 12,8 micron.
‘Dit scenario komt vrij veel voor in het Zonnestelsel,’ zegt Michiel Min (SRON). ‘Denk bijvoorbeeld aan de smoglaag in de atmosfeer van Titan, een maan van Saturnus. Maar we verwachten dat de samenstelling van de atmosfeer rond TRAPPIST-1b heel anders is dan alles wat we uit ons Zonnestelsel kennen. Deze ster is namelijk koeler en actiever, met bijvoorbeeld veel meer UV-straling. Dat maakt dit razend spannend.’
Het team kwam dit emissiespectrum op het spoor doordat het wispelturige karakter van TRAPPIST-1 ongeschikt is voor conventionele absorptiemetingen. Daarbij passeert een planeet haar moederster voorlangs en sterlicht sijpelt door haar atmosfeer heen. De aanwezige stoffen in die atmosfeer laten dan een vingerafdruk achter. In dit geval moesten de astronomen wachten tot de planeet bijna achter de ster verdwijnt en dus haar volle dagkant toont, zoals een volle maan.
Astronomers have used the James Webb Space Telescope to measure the infrared spectrum of a rocky planet in the auspicious planetary system of TRAPPIST-1. It is what you’d expect from a planet covered in volcanic rock. Another scenario includes an atmosphere full of CO2 and smog. The team, including Michiel Min (SRON), publishes the results on December 16th in Nature Astronomy.
Artist impression of TRAPPIST-1b. Credit: By NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
In the search for extraterrestrial life, the planetary system around the star TRAPPIST-1 is one of the most promising places to find a habitable environment. It consists of seven rocky planets, three of which at a distance from the parent star where the temperature is around that of liquid water. An international team of astronomers, including Michiel Min (SRON), has now used the James Webb Space Telescope to study the planet TRAPPIST-1b, the closest one to the star.
The team measured the infrared radiation emitted by TRAPPIST-1b at a specific infrared wavelength of 12.8 microns. They received a much weaker signal than during previous observations at an infrared wavelength of 15 microns. This distinction rules out a simple dark sphere without atmosphere, which would emit much more radiation than the new measurements show.
A better fit with the measurements is an atmosphere-free planet with volcanic rock full of minerals. Although a more interesting scenario is also possible: TRAPPIST-1b has a thick atmosphere filled with CO2 and a haze of carbon particles. That haze absorbs a lot of starlight in the upper layers of the atmosphere, making those hotter than the lower layers. The same thing happens in Earth’s stratosphere. Our telescopes capture the light from this hot upper layer, including the corresponding fingerprint in the spectrum. Which indeed contains more radiation at 15 microns than at 12.8 microns.
‘This scenario is quite common in the Solar System,’ says Michiel Min (SRON). ‘Perhaps the most similar example being the hazy atmosphere of Saturn’s moon Titan. But we expect the chemistry in the atmosphere of TRAPPIST-1b to be very different from anything we know from our Solar System. This star is cooler and more active, with much more UV radiation. That makes this fascinating.’
The team came across this emission spectrum because the fickle nature of TRAPPIST-1 is unsuitable for conventional absorption measurements. In most cases, astronomers wait for a planet to pass in front of its parent star and starlight seeps through its atmosphere. The substances present in that atmosphere then leave a fingerprint. In this case, astronomers had to wait until the planet almost disappears behind the star, thus showing its full day side, like a full moon.