De James Webb Space Telescope heeft definitief bewijs gevonden voor de aanwezigheid van kooldioxide (CO2) in de atmosfeer van een reuzenplaneet die rond een zonachtige ster draait op 700 lichtjaar van ons vandaan. Het resultaat verschaft belangrijke inzichten in de samenstelling en vorming van deze gasreus, en is een goede aanwijzing voor het vermogen van Webb om CO2 op te sporen en te meten in de dunnere atmosferen van kleinere rotsachtige planeten rond sterren buiten ons zonnestelsel. Het resultaat van de internationale groep van astronomen, onder wie Yamila Miguel (SRON/Leidse Sterrewacht) en Jean-Michel Désert (UvA), is geaccepteerd voor publicatie in Nature. 
Het gaat om de planeet WASP-39 b, een hete gasreus met een massa van ongeveer een kwart van die van Jupiter (ongeveer even groot als Saturnus) en een diameter die 1,3 keer zo groot is als die van Jupiter. Dat hij zo extreem is opgezwollen houdt gedeeltelijk verband met zijn hoge temperatuur (ongeveer 900°C). In tegenstelling tot de koelere, compactere gasreuzen in ons zonnestelsel draait WASP-39 b zeer dicht om zijn ster – slechts ongeveer een achtste van de afstand tussen de zon en Mercurius – en legt hij één omloop af in iets meer dan vier dagen.
Gefilterd sterlicht
WASP-39 b beweegt vanaf de aarde gezien precies voor zijn ster langs. Tijdens zo’n planeetovergang wordt een beetje sterlicht door de planeet tegengehouden en een deel wordt via de atmosfeer van de planeet doorgelaten. De atmosfeer filtert sommige kleuren meer dan andere, afhankelijk van factoren zoals samenstelling, dikte en de aanwezigheid van wolken. Doordat verschillende gassen verschillende combinaties van kleuren absorberen, kunnen onderzoekers kleine verschillen in helderheid van het doorgelaten licht over een spectrum van golflengten analyseren om precies te bepalen waar een atmosfeer van gemaakt is. WASP-39 b een ideaal object voor transmissiespectroscopie omdat de atmosfeer is opgezwollen en de planeet vaak voor zijn ster langs beweegt. Het team gebruikte Webbs nabij-infraroodspectrograaf NIRSpec om de waarnemingen te doen.
Eerste duidelijke detectie van kooldioxide
De onderzoekers zien het eerste, duidelijke, gedetailleerde en onweerlegbare bewijs voor koolstofdioxide bij een planeet buiten het zonnestelsel als een goed voorteken voor de detectie op kleinere, rotsachtige planeten. Natalie Batalha van de Universiteit van Californië in Santa Cruz, VS, die leidinggeeft aan het team onderzoekers dat met Webb deze zogeheten ‘transiting’ exoplaneten bestudeert: “Zelfs zonder de robuuste kooldioxide-eigenschap zou dit spectrum opmerkelijk zijn. Geen enkel observatorium heeft ooit eerder zulke subtiele verschillen in helderheid gemeten van zoveel afzonderlijke kleuren in het 3 tot 5,5 micron-bereik in het transmissiespectrum van een exoplaneet. Toegang tot dit deel van het spectrum is van cruciaal belang voor het meten van concentraties gassen als water, methaan, en kooldioxide, waarvan wordt aangenomen dat ze in veel verschillende soorten exoplaneten voorkomen.”
“Inzicht in de samenstelling van de atmosfeer van een planeet is belangrijk omdat het ons iets vertelt over de oorsprong van de planeet en hoe hij is geëvolueerd”, voegt coauteur Yamila Miguel toe, die aan modellen en het interpreteren van de data heeft gewerkt. Jean-Michel Désert: “Door deze kooldioxide-eigenschap te meten, kunnen we bepalen hoeveel vast en hoeveel gasvormig materiaal is gebruikt om deze gasreus te vormen. In het komende decennium zal Webb dit soort metingen doen aan verschillende soorten planeten. Zo krijgen we meer inzicht in het vormingsproces van planeten en de vraag of ons eigen zonnestelsel uniek is.”
Early Release Science
De NIRSpec-waarnemingen van WASP-39 b zijn onderdeel van een groter onderzoek waarbinnen verschillende andere methoden en instrumenten zijn gebruikt, ook voor de waarnemingen van twee andere planeten die voor hun ster langs schuiven. Het onderzoek maakt deel uit van het Early Release Science-programma, dat is opgezet om de exoplaneet-onderzoeksgemeenschap zo snel mogelijk van Webb-gegevens te voorzien. “Het doel is om de Early Release Science-waarnemingen onmiddellijk te analyseren en instrumenten te ontwikkelen waarmee iedereen in de toekomst Webb-gegevens kan analyseren”, legt coauteur Vivien Parmentier van de Universiteit van Oxford uit. “Dit zorgt ervoor dat de beste wetenschap uit de waarnemingen zal voortkomen.”
Afbeelding
Transmissiespectrum van de hete gasreus exoplaneet WASP-39 b, vastgelegd door Webbs Nabij-Infrarood Spectrograaf (NIRSpec) is het eerste definitieve bewijs voor koolstofdioxide in een planeet buiten het zonnestelsel. Het is het eerste gedetailleerde transmissiespectrum dat ooit is vastgelegd en golflengten tussen 3 en 5,5 micron bestrijkt. Een transmissiespectrum wordt gemaakt door sterlicht dat door de atmosfeer van een planeet wordt gefilterd wanneer die voor de ster langs beweegt. Elk van de 95 datapunten in deze grafiek stelt de hoeveelheid van een specifieke golflengte van het licht voor die door de planeet wordt geblokkeerd en door zijn atmosfeer wordt geabsorbeerd. De piek rond 4,3 micron is het licht dat door koolstofdioxide (CO2) wordt geabsorbeerd. De grijze lijnen boven en onder elke gegevenspunt geven de onzekerheid van de metingen weer. De blauwe lijn is het model dat het beste past. Het hier getoonde model gaat ervan uit dat de planeet voornamelijk bestaat uit waterstof en helium met kleine hoeveelheden water en koolstofdioxide, met een dunne sluier van wolken. Credit: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI).
