Temperatuurmetingen van de aardachtige exoplaneet TRAPPIST-1b onthullen dat het er niet alleen snikheet is, maar dat het de planeet bovendien aan een noemenswaardige atmosfeer lijkt te ontbreken.
Tot die conclusie komen astronomen in het blad Nature. Ze baseren zich – zoals gezegd – op waarnemingen van ruimtetelescoop James Webb. Of nauwkeuriger gezegd: op metingen van Webb’s Mid-Infrared Instrument (kortweg MIRI). Met dit instrument kan James Webb de temperatuur van TRAPPIST-1b meten. En wel door de warmte-energie die TRAPPIST-1b in de vorm van infrarood licht afgeeft, te detecteren. De observaties wijzen uit dat de dagzijde van de planeet een temperatuur heeft van ongeveer 230 graden Celsius en suggereren dat de planeet het zonder een noemenswaardige atmosfeer moet stellen.
In 2017 doen astronomen een opmerkelijke ontdekking; op zo’n 40 lichtjaar afstand van de aarde ontdekken ze zeven(!) planeten rond een ultrakoele rode dwergster. De planeten – die aangeduid worden als TRAPPIST-1b tot en met -1h – zijn qua grootte en massa allemaal grofweg vergelijkbaar met de rotsachtige planeten in het binnenste deel van het zonnestelsel (waaronder de aarde). Daarnaast ontvangen ze ook ongeveer net zoveel energie van hun moederster als onze planeet van de zon ontvangt. Hoewel die overeenkomsten misschien veelbelovend lijken als het gaat om onze zoektocht naar buitenaards leven, stelden onderzoekers eerder al vast dat TRAPPIST-1b, -c en -d waarschijnlijk te heet zijn voor leven. TRAPPIST-1h was waarschijnlijk weer te koud. TRAPPIST-1e, -f en -g zouden zich wel in de leefbare zone bevinden, wat betekent dat hun temperaturen hoog genoeg zijn om te voorkomen dat eventueel vloeibaar water op het oppervlak van de planeten bevriest, maar niet zo hoog dat eventueel vloeibaar water verdampt. Op deze drie planeten zou in theorie dus vloeibaar water – een belangrijke vereiste voor de totstandkoming en instandhouding van leven zoals wij dat kennen – te vinden kunnen zijn. In de afgelopen jaren zijn er echter ook wel twijfels geuit over de leefbaarheid van deze drie planeten; zo zou de extreme activiteit van de moederster TRAPPIST-1 zomaar roet in het eten kunnen gooien.
Atmosfeer
De nieuwe metingen van James Webb bevestigen wat onderzoekers eerder al vermoedden: het is warm op TRAPPIST-1b. Maar daarnaast kunnen onderzoekers dus ook uit de metingen afleiden dat de planeet geen noemenswaardige atmosfeer bezit. Dat laatste komt misschien ook niet direct als een verrassing; eerdere observaties van TRAPPIST-1b met behulp van ruimtetelescopen Hubble en Spitzer wezen al uit dat de planeet in ieder geval geen omvangrijke atmosfeer herbergde. Maar die ruimtetelescopen konden niet uitsluiten dat de planeet een dunnere, dichte atmosfeer bezat. James Webb veegt die laatste optie nu echter ook van tafel en wel op basis van de temperatuur van de planeet. “Deze planeet heeft een synchrone rotatie,” zo legt onderzoeker Pierre-Olivier Lagage uit. Dat betekent dat de ene zijde van de planeet ten alle tijde op de moederster gericht is, terwijl de andere zijde in permanente duisternis gehuld is. “Als de planeet een atmosfeer heeft waarin de hitte kan circuleren en zich kan verspreiden zou de dagzijde koeler zijn dan wanneer er geen atmosfeer is.”
Nadat de onderzoekers de temperatuur van de planeet hadden gemeten, vergeleken ze die metingen met de temperatuur die computermodellen in verschillende scenario’s (bijvoorbeeld een TRAPPIST-1b met en zonder een atmosfeer) voorspellen. En daaruit blijkt dat de temperatuur die James Webb heeft gemeten het beste past bij een warm, rotsachtig object zonder atmosfeer. Zo wijzen de modellen bijvoorbeeld uit dat een atmosfeer waarin de hitte gelijkmatig over de planeet verdeeld wordt, ertoe zou leiden dat de temperatuur aan de dagzijde zo’n 100 graden Celsius lager uitvalt dan nu het geval is.
De temperatuur van een planeet meten
Om vast te stellen hoeveel infrarood licht (en dus warmte) TRAPPIST-1b afgeeft, bestudeerden onderzoekers het TRAPPIST-1-systeem op verschillende momenten. Namelijk op momenten dat ze zowel de moederster als de planeet in zicht hadden. Maar ook op het moment dat TRAPPIST-1b achter de moederster verdween – dit wordt ook wel een secundaire eclips genoemd. Op het moment dat de planeet achter de moederster schuilging, konden de onderzoekers vaststellen hoeveel infrarood licht de moederster alleen afgaf. Door die hoeveelheid infrarood licht vervolgens af te trekken van de hoeveelheid infrarood licht die gedetecteerd werd als TRAPPIST-1b wel zichtbaar was, konden ze vaststellen hoeveel infrarood licht deze planeet in zijn eentje afgaf. Dat klinkt misschien eenvoudig. Maar dat is het zeker niet. Zo is het al zeer opmerkelijk dat Webb in staat was om de afname in infrarood licht die optrad toen TRAPPIST-1b achter de moederster verdween, te detecteren. TRAPPIST-1 is namelijk meer dan 1000 keer helderder dan TRAPPIST-1b en op het moment dat TRAPPIST-1b achter de moederster dook, veranderde de helderheid van het systeem met nog geen 0,1 procent. “Daarnaast waren we ook bang dat we de eclips zouden missen,” merkt onderzoeker Taylor Bell op. “De planeten trekken allemaal aan elkaar, dus hun omloopbanen zijn niet perfect. Maar het was geweldig: de eclips vond binnen enkele minuten van het moment waarop we deze voorspeld hadden, plaats.”
Uniek
De metingen zijn zeer bijzonder. Nog niet eerder zijn wetenschappers erin geslaagd om infrarood licht afgegeven door een exoplaneet zo klein en koel als de rotsachtige planeten in ons eigen zonnestelsel te detecteren. “Bij deze observaties is echt geprofiteerd van Webb’s vaardigheden in het midden-infrarood,” aldus onderzoeker Thomas Greene. “Geen enkele eerdere telescoop was gevoelig genoeg om zulk zwak mid-infraroodlicht te meten.”
Opmaat naar meer
De metingen zijn tevens de opmaat naar meer. Want James Webb heeft nu aangetoond dat deze in staat is om vast te stellen of planeten rond kleine, actieve sterren – zoals TRAPPIST-1 – een leefbare atmosfeer kunnen herbergen. In het geval van TRAPPIST-1b zijn de resultaten misschien een beetje teleurstellend, maar er zijn nog veel meer koele dwergsterren in onze Melkweg te vinden, zo benadrukt Greene. “Er zijn tien keer meer van deze sterren in onze Melkweg dan er zonachtige sterren zijn en deze (koele dwergsterren, red.) hebben in vergelijking met zonachtige sterren een twee keer grotere kans om rotsachtige planeten te herbergen.” En hoewel veel van die planeten waarschijnlijk onleefbaar zijn, omdat hun moedersterren in hun jonge jaren heel actief zijn en genoeg zonnevlammen en röntgenstraling afgeven om de atmosferen van hun planeten te vernietigen, zijn dit toch de systemen waar astronomen – via James Webb – toch met bovengemiddelde interesse naar kijken. En ook de planeten rond TRAPPIST-1 mogen zich de komende tijd ongetwijfeld in nog meer aandacht verheugen. “Het is gemakkelijker om aardachtige planeten rond kleinere, koelere sterren te karakteriseren,” aldus onderzoeker Elsa Ducrot. “Als we de leefbaarheid op planeten rond M-klasse sterren willen begrijpen, is het TRAPPIST-1 systeem een geweldig laboratorium. Dit zijn de beste kandidaten als we willen kijken naar de atmosfeer van rotsachtige planeten.”
Ook over TRAPPIST-1b is het laatste woord nog niet gezegd. Zo wordt er momenteel nog steeds met behulp van James Webb naar deze planeet gekeken. Uiteindelijk hopen de onderzoekers vast te kunnen stellen hoe de helderheid van deze planeet in infrarood licht gedurende één volledige omloop rond de moederster verandert. Dat zal ze vervolgens ook in staat stellen om de temperatuurverschillen tussen de dag- en nachtzijde te onthullen. Op basis daarvan kan dan weer geconcludeerd worden of de planeet echt geen atmosfeer bezit of misschien toch een (heel dunne) atmosfeer herbergt.
