Daarbuiten in de ruimte is een ongebruikelijke exoplaneetnaam Gliese 3470 b (GJ 3470 b.) Het is een vreemde wereld, een soort hybride tussen de aarde en Neptunus. Het heeft een rotsachtige kern zoals de aarde, maar wordt omgeven door een atmosfeer van waterstof en helium. Die combinatie is anders dan alles in ons eigen zonnestelsel.
De planeet draait om een rode dwergster genaamd Gliese 3470, in het sterrenbeeld Kreeft. GJ 3470 b is ongeveer 12.6 aardmassa's, wat betekent dat het ongeveer halverwege tussen de aarde en Neptunus is in massa. (Neptunus is ongeveer 17 aardmassa's.)
Dankzij de Kepler-missie weten we dat er veel exoplaneten zijn in dit massabereik. Het is mogelijk dat tot 80% van de planeten binnen dit bereik valt, hoewel toekomstige exoplanet-missies dat ongetwijfeld zullen verduidelijken. Tot nu toe hebben astronomen de atmosfeer van een van deze planeten niet goed bekeken, en dus is hun formatie een beetje een mysterie.
De Hubble- en de Spitzer-ruimtetelescopen werken samen om de atmosfeer van GJ 3470 b van dichtbij te bekijken, en het is voor het eerst dat astronomen de chemische vingerafdruk van de atmosfeer van een planeet als deze kunnen identificeren. Ze ontdekten dat de planeet een bijna ongerepte, oeratmosfeer van waterstof en helium heeft, zonder dat er zwaardere elementen aanwezig zijn.
En dat is een beetje een mysterie.
"Zoiets hebben we niet in het zonnestelsel, en dat maakt het opvallend."
Björn Benneke van de University of Montreal in Canada
Half Star, Half Planet?
GJ 3470 b, met zijn atmosfeer van waterstof en helium, lijkt in sommige opzichten meer op een ster dan op een planeet. Onze eigen zon bestaat voor 73% uit waterstof en de rest is bijna allemaal helium. Slechts een klein deel van de zon bestaat uit zwaardere elementen zoals zuurstof, neon, ijzer en koolstof. De gasreuzen Jupiter en Saturnus zijn meestal waterstof en helium, maar ze bevatten ook andere verbindingen zoals methaan en ammoniak, evenals zwaardere elementen. Die verbindingen zijn bijna afwezig in GJ 3470 b.
“Vanuit het perspectief van planeetvorming is dit een grote ontdekking. De planeet draait heel dicht bij de ster en is veel minder zwaar dan Jupiter - 318 keer de massa van de aarde - maar is erin geslaagd om de primordiale waterstof / heliumatmosfeer op te bouwen die grotendeels 'niet verontreinigd' is door zwaardere elementen, 'zei Björn Benneke van de Universiteit van Montreal in Canada, in een NASA-persbericht. "Zoiets hebben we niet in het zonnestelsel, en dat maakt het opvallend."
De astronomen achter dit werk combineerden de multi-golflengtecapaciteiten van beide ruimtetelescopen om de atmosfeer van GJ 3470 b goed te bekijken. Ze deden dit door de absorptie van sterrenlicht te meten terwijl de exoplaneet voor zijn gastster voorbijging. Ze maten ook het verlies van gereflecteerd licht toen de exoplaneet achter de ster passeerde. In totaal observeerde het paar ruimtetelescopen 12 transits en 20 verduisteringen.
Astronomen gebruiken spectroscopie om de chemische vingerafdrukken van waterstof en helium in de atmosfeer te identificeren, en de aard van de atmosfeer van de planeet maakte dit allemaal mogelijk. Het is meestal duidelijk met heel weinig waas, wat betekent dat ze diep in de atmosfeer konden kijken. 'Voor het eerst hebben we een spectroscopische signatuur van zo'n wereld', zegt Benneke.
Maar die spectroscopie bracht iets onverwachts aan het licht. De astronomen dachten dat ze een vergelijkbare chemische samenstelling zouden vinden als de planeet Neptunus, met zwaardere elementen zoals zuurstof en koolstof. Maar in plaats daarvan vonden ze een atmosfeer die op de zon leek.
"... we hebben een atmosfeer gevonden die zo arm is aan zware elementen dat de samenstelling lijkt op de waterstof / heliumrijke samenstelling van de zon."
BJÖRN BENNEKE VAN DE UNIVERSITEIT MONTREAL IN CANADA
"We verwachtten een atmosfeer die sterk verrijkt was met zwaardere elementen zoals zuurstof en koolstof die overvloedige waterdamp en methaangas vormen, vergelijkbaar met wat we op Neptunus zien", zei Benneke. "In plaats daarvan vonden we een atmosfeer die zo arm is aan zware elementen dat de samenstelling ervan lijkt op de waterstof / heliumrijke samenstelling van de zon."
Het samenvoegen
Nu astronomen dankzij de gecombineerde kracht van de Hubble- en de Spitzer-ruimtetelescoop de atmosfeer van de exoplaneet goed onder de knie hebben, kunnen ze beginnen te begrijpen hoe deze vreemde planeet is ontstaan.
GJ 3470 b staat in scherp contrast met andere exoplaneten. Astronomen denken dat andere exoplaneten, bijvoorbeeld Hot Jupiters, zich op grote afstand van hun zon vormen en vervolgens naar binnen migreren. Maar astronomen denken dat deze exoplaneet heel dicht bij zijn rode dwergster is gevormd, dicht bij waar hij vandaag staat.
Waarschijnlijk vormde het zich aanvankelijk als een klein rotsachtig object, verstrikt in het midden van de protoplanetaire schijf, rond dezelfde tijd dat de ster zich vormde. Het zou zijn atmosfeer hebben verzameld of geaccumuleerd uit hetzelfde oermateriaal in de schijf waaruit de ster was gevormd. En dat zou de waterstof / heliumatmosfeer verklaren, en waarom het zwaardere elementen mist.
"Dit is een grote ontdekking vanuit het perspectief van planeetvorming."
BJÖRN BENNEKE VAN DE UNIVERSITEIT MONTREAL IN CANADA
"We zien een object dat waterstof uit de protoplanetaire schijf kon opnemen, maar niet wegliep om een hete Jupiter te worden", zei Benneke. 'Dit is een intrigerend regime.'
Wat er misschien is gebeurd, is dat het nog steeds materie van de schijf ophaalde, maar de ster groeide sneller en de schijf verdween. Dit voorkwam dat GJ 3470 b groter werd en meer op de gasreuzen in ons zonnestelsel leek, met zwaardere elementen in hun atmosfeer.
Voor nu staat hier ons begrip van deze intrigerende, excentrieke exoplaneet. Maar zodra de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) actief is, zal hij ons meer vertellen.
De JWST is een krachtige ruimtetelescoop die met ongekende gevoeligheid in het infrarood kan kijken. Het kan de atmosfeer van GJ 3470 b en andere exoplaneten onderzoeken en dingen onthullen die tot nu toe ongezien zijn. Het zal met name waarnemen in golflengten die verduisterende gevaren bijna transparant maken.
Dan zal ons begrip van alle exoplaneten, niet alleen deze, met grote sprongen toenemen.
Bronnen:
- Persbericht: Atmosphere of Midsize Planet Revealed by Hubble, Spitzer
- Wikipedia: Gliese 3470 b
- Spitzer ruimtetelescoop
