De ontdekkingen van buitenzonne-planeten zijn de laatste jaren explosief aan het exploderen. In feite hebben astronomen vanaf 1 augustus 2017 3.639 exoplaneten geïdentificeerd in 2.729 planetaire systemen en 612 meerdere planetaire systemen. En hoewel de meeste hiervan zijn ontdekt door Kepler - die in totaal 5.017 kandidaten heeft gedetecteerd en het bestaan van 2.494 exoplaneten sinds 2009 heeft bevestigd - speelden ook andere instrumenten een belangrijke rol bij deze ontdekkingen.
Dit omvat de Hubble-ruimtetelescoop, die de afgelopen jaren is gewijd aan het detecteren van atmosferen rond verre planeten. Het meest recentelijk werd het gebruikt in een onderzoek dat tot nu toe het sterkste bewijs leverde voor het bestaan van een stratosfeer - een atmosfeerlaag waarin de temperatuur met de hoogte stijgt - rond een gasreus die zich op ongeveer 900 lichtjaar van ons zonnestelsel bevindt.
De studie, getiteld "Een ultrahete gasreus exoplaneet met een stratosfeer", verscheen onlangs in het tijdschrift Natuur. Onder leiding van Thomas Evans, een Research Fellow van de Astrophysics Group aan de Universiteit van Exeter, vertrouwde het team op gegevens van NASA's Hubble Space Telescope om een planeet te bestuderen die bekend staat als WASP-121b, een gasreus die om een geelwitte ster draait die is iets groter dan de onze.
De planeet zelf heeft ongeveer 1,2 keer de massa van Jupiter, heeft een straal die ongeveer 1,9 keer zo groot is als die van Jupiter en heeft een omlooptijd van slechts 1,3 dagen. Dit komt door de nabijheid van de zon, waardoor het een bijzonder "Hot Jupiter" is. Als deze exoplaneet dichter bij zijn ster zou zijn, zou de zwaartekracht van WASP-121 hem zelfs beginnen te scheuren.
Het is ook deze nabijheid die de atmosfeer van de planeet oververhit, met temperaturen tot 2500 ° C (4600 ° F). Zoals Mark Marley, een onderzoeker bij NASA's Ames Research Center en co-auteur van het onderzoek, in een NASA-persverklaring aangaf:
“Dit resultaat is opwindend omdat het laat zien dat een gemeenschappelijk kenmerk van de meeste atmosferen in ons zonnestelsel - een warme stratosfeer - ook te vinden is in exoplaneetatmosferen. We kunnen nu processen in exoplaneetatmosferen vergelijken met dezelfde processen die onder verschillende omstandigheden in ons eigen zonnestelsel plaatsvinden. ”
Waar Hubble in het verleden mogelijke tekenen van stratosferen rond WASP-33b en andere hete Jupiters heeft gevonden, presenteert deze nieuwe studie tot nu toe het sterkste bewijs voor het bestaan van een exoplaneet-stratosfeer. De reden hiervoor heeft te maken met de spectrografische gegevens die zijn verkregen door Hubble van de atmosfeer van WASP-121b, die de aanwezigheid van waterdamp aangaven - wat een primeur is wat hete Jupiter betreft.
Zoals Tom Evans - ook een Research Fellow aan de Universiteit van Exeter en de hoofdauteur op het papier - uitlegde, bevestigden deze bevindingen iets dat astronomen al geruime tijd vermoeden. "Theoretische modellen hebben gesuggereerd dat stratosferen een aparte klasse van ultrahete planeten kunnen definiëren, met belangrijke implicaties voor hun atmosferische fysica en chemie," zei hij. 'Onze waarnemingen ondersteunen dit beeld.'
Om de stratosfeer van WASP-121b te bestuderen, vertrouwde het team op spectroscopische gegevens die waren verzameld door Hubble's Wide Field Camera 3. Na analyse van de verschillende golflengten die deel uitmaakten van de lichtkuur van WASP-121b, merkten ze op dat bepaalde golflengten vrij helder gloeiden in de infraroodband. Dit, concludeerden ze, was te wijten aan de aanwezigheid van waterdamp in de top van de atmosfeer van de planeet.
"De emissie van licht uit water betekent dat de temperatuur toeneemt met de hoogte", zei Tiffany Kataria, een van de co-auteurs van de studie van NASA's Jet Propulsion Laboratory. "We zijn verheugd om te onderzoeken in hoeverre dit gedrag aanhoudt met aankomende Hubble-waarnemingen."
Behalve dat het tot nu toe het meest overtuigende geval is van een exoplaneet met een stratosfeer, is WASP-121b ook interessant vanwege hoe heet deze hete Jupiter is. Op basis van hun gegevens concludeerde het team dat de temperaturen in de atmosfeer met de hoogte toenamen - een bepalend kenmerk van een stratosfeer. In de stratosfeer van de aarde wordt dit proces aangedreven door ozon, dat het ultraviolette licht van de zon opvangt en de temperatuur van de omringende moleculen verhoogt.
De temperatuur van de stratosfeer van de aarde is echter niet hoger dan 270 K (-3 ° C; 26.6 ° F). Wanneer men andere zonneplaneten beschouwt die ook stratosferen hebben - zoals Saturnusmaan Titan, die wordt verwarmd door de interactie van zonnestraling, energetische deeltjes en methaan - veranderen de temperaturen niet met meer dan 56 ° C (100 ° F). Maar in het geval van WASP-121b stijgen de temperaturen in de stratosfeer met ongeveer 560 ° C (1.000 ° F).
Zelfs Venus, de heetste planeet in het zonnestelsel, kan daar niet tegenop! Op 'Sister Planet' op aarde blijven de temperaturen stabiel op ongeveer 735 K (462 ° C; 863 ° F), wat heet genoeg is om lood te smelten. Maar op WASP-121b bereiken de temperaturen meer dan vier keer zo hoog! Dit betekent dat de atmosfeer van de planeet heet genoeg is om roestvrij staal en andere metalen te smelten, zoals beryllium, platina en zirkonium.
Op dit moment weten wetenschappers niet welke chemicaliën deze temperatuurstijging veroorzaken. Er zijn echter enkele mogelijkheden gesuggereerd, zoals vanadiumoxide en titaniumoxide. Niet alleen wordt aangenomen dat deze verbindingen veel voorkomen bij bruine dwergen (ook bekend als "mislukte sterren", die veel gemeen hebben met gasreuzen), ze vereisen ook de heetste temperaturen die mogelijk zijn om ze in gasvormige toestand te houden.
In ieder geval is deze verre gasreus een interessante case study gebleken. In de toekomst zal onderzoek naar deze en andere 'superhete Jupiters' ons huidige begrip van hoe atmosferische vormen en hoe ze zich gedragen in de loop van de tijd waarschijnlijk uitdagen en uitbreiden.
