De studie van extrasolaire planeten is de afgelopen jaren echt explosief gestegen. Momenteel hebben astronomen het bestaan van 4.104 planeten buiten ons zonnestelsel kunnen bevestigen, terwijl er nog 4900 wachten op bevestiging. De studie van deze vele planeten heeft dingen onthuld over het bereik van mogelijke planeten in ons universum en ons geleerd dat er veel zijn waarvoor er geen analogen zijn in ons zonnestelsel.
Bijvoorbeeld dankzij nieuwe gegevens verkregen door de Hubble-ruimtetelescoop, hebben astronomen meer geleerd over een nieuwe klasse van exoplaneten die bekend staat als "super-puff" -planeten. Planeten in deze klasse zijn in wezen jonge gasreuzen die qua grootte vergelijkbaar zijn met Jupiter, maar een massa hebben die slechts een paar keer groter is dan die van de aarde. Dit resulteert in hun atmosfeer met de dichtheid van suikerspin, vandaar de heerlijke bijnaam!
De enige bekende voorbeelden van deze planeet bevinden zich in het Kepler 51-systeem, een jonge zonachtige ster op ongeveer 2615 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Cygnus. Binnen dit systeem zijn drie exoplaneten bevestigd (Kepler-51 b, c en d) die voor het eerst werden gedetecteerd door de Kepler Space Telescope in 2012. Het duurde echter tot 2014 voordat de dichtheden van deze planeten werden bevestigd, en het kwam als een verrassing.
Hoewel deze gasreuzen atmosferen hebben die zijn samengesteld uit waterstof en helium en ongeveer even groot zijn als Jupiter, zijn ze ook ongeveer honderd keer lichter in termen van massa. Hoe en waarom hun atmosfeer zou opblazen zoals ze doen, blijft een mysterie, maar het feit blijft dat de aard van hun atmosfeer superzuivere planeten tot een uitstekende kandidaat maakt voor atmosferische analyse.
Dat is precies wat een internationaal team van astronomen - onder leiding van Jessica Libby-Roberts van het Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) van de University of Colorado, Boulder, probeerde te doen. Gegevens gebruiken van Hubble, Libby-Roberts en haar team analyseerden spectra verkregen uit de atmosfeer van Kepler-51 b en d om te zien welke componenten (inclusief water) er waren.
Terwijl deze planeten voor hun ster voorbijgingen, werd het licht dat door hun atmosfeer werd geabsorbeerd, onderzocht in de infraroodgolflengte. Tot verbazing van het team ontdekten ze dat de spectra van beide planeten geen veelbetekenende chemische handtekeningen hadden. Dit schreven ze toe aan de aanwezigheid van wolken zoutkristallen of fotochemische nevels in hun atmosfeer.
Als zodanig vertrouwde het team op computersimulaties en andere tools om te theoretiseren dat de Kepler-51-planeten voornamelijk massa en waterstof en helium zijn, die wordt bedekt door een dikke waas van methaan. Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt in de atmosfeer van Titan (de grootste maan van Saturnus), waar de overwegend stikstofatmosfeer wolken methaangas bevat die het oppervlak verduisteren.
'Dit was totaal onverwacht', zei Libby-Roberts. "We waren van plan om grote waterabsorptie-eigenschappen te observeren, maar die waren er gewoon niet. We waren vertroebeld! ' Deze wolken gaven het team echter waardevol inzicht in hoe Kepler-51 b en d zich verhouden tot andere gasmassa-exoplaneten met een lage massa die door astronomen zijn waargenomen. Zoals Libby-Roberts uitlegde in een persverklaring van CU Boulder:
'We wisten dat ze een lage dichtheid hadden. Maar als je je een suikerspinbal ter grootte van een Jupiter voorstelt - dat is echt een lage dichtheid ... Het deed ons beslist klauteren om te bedenken wat hier zou kunnen gebeuren. We hadden verwacht water te vinden, maar we konden de handtekeningen van geen enkel molecuul waarnemen. "
Het team was ook in staat om de grootte en massa van deze planeten beter te beperken door hun timingeffecten te meten. In alle systemen treden kleine veranderingen op in de orbitale periode van een planeet vanwege hun aantrekkingskracht, die kan worden gebruikt om de massa van een planeet af te leiden. De resultaten van het team kwamen overeen met eerdere schattingen voor Kepler-51 b, terwijl de schattingen voor Kepler-51 d aangeven dat het iets minder massief is (ook wel gezwollen) dan eerder werd gedacht.
Het team vergeleek ook de spectra van de twee super-puffs met die van andere planeten en behaalde resultaten die erop wezen dat de vorming van wolken / waas verband houdt met de temperatuur van een planeet. Dit ondersteunt de hypothese dat hoe koeler een planeet is, hoe troebeler het zal zijn, iets waar astronomen over nadenken dankzij de recente golf van exoplaneetontdekkingen.
Last but not least merkte het team op dat zowel Kepler-51 b als d snel gas lijken te verliezen. Het team schat zelfs dat de voormalige planeet (die het dichtst bij zijn moederster staat) elke seconde tientallen miljarden tonnen materiaal in de ruimte dumpt. Als deze trend zich voortzet, zullen de planeten de komende paar miljard jaar aanzienlijk krimpen en mini-Neptunes worden.
In dit opzicht zou dit suggereren dat de exoplaneten toch niet zo ongewoon zijn, aangezien mini-Neptunus heel gewoon lijken te zijn. Het suggereert ook dat de lage dichtheden van de super-puff planeten worden toegeschreven aan de leeftijd van het systeem. Terwijl het zonnestelsel ongeveer 4,6 miljard jaar oud is, bestaat Kepler-51 nog maar 500 miljoen jaar.
De planetaire modellen die door het team worden gebruikt, geven aan dat de planeten waarschijnlijk buiten de Kepler-51s Frost Line zijn gevormd - de grens waarboven vluchtige elementen zullen bevriezen - en vervolgens naar binnen zijn gemigreerd. In plaats van excentrieke planeten te zijn, zijn Kepler-51 b en d misschien wel de eerste voorbeelden die astronomen hebben gezien van een van de meest voorkomende soorten planeten in ons heelal in de vroege ontwikkelingsstadia.
Zoals Zach Berta-Thompson (assistent-APS-professor en co-auteur van het nieuwe onderzoek) uitlegde, maakt dit Kepler-51 tot een "uniek laboratorium" voor het testen van theorieën over de evolutie van de vroege planeet:
"Dit is een extreem voorbeeld van wat er zo cool is aan exoplaneten in het algemeen. Ze geven ons de kans om werelden te bestuderen die heel anders zijn dan de onze, maar ze plaatsen ook de planeten in ons eigen zonnestelsel in een grotere context. ”
In de toekomst zal de inzet van instrumenten van de volgende generatie, zoals de James Webb Space Telescope (JWST) zal astronomen helpen de atmosfeer van de Kepler-51-planeten en andere superpufjes te onderzoeken. Dankzij de gevoeligheid van de JWST voor langere infraroodgolflengten, kunnen we mogelijk nog door hun dichte wolken kijken en bepalen waaruit deze 'suikerspin'-planeten eigenlijk bestaan.
Het is ook weer een veer in de dop van de vereerde Hubble, die nu al ongeveer dertig jaar (sinds mei 1990) continu in bedrijf is en nog steeds licht werpt op kosmische mysteries! Het is passend dat het nog steeds bevindingen doet die zeer binnenkort het onderwerp zullen zijn van vervolgonderzoeken door James Webb, zijn spirituele opvolger.
De studie met details over het onderzoek van het team is onlangs online verschenen en zal verschijnen in The Astrophysical Journal.
