Trappist-1 b wordt om meerdere redenen al heel lang bestudeerd. Nu zijn wetenschappers weer een stapje dichterbij het ontrafelen van zijn mysteries, want heeft de exoplaneet dan toch een atmosfeer?
De ster Trappist-1 en zijn zeven planeten zijn op vele manieren bijzonder. Ten eerste bevindt het sterrenstelsel zich op maar 40 lichtjaar afstand van de Aarde, wat relatief dichtbij is. Ten tweede zijn het allemaal rotsachtige planeten, waarvan er zich drie in de zogenaamde bewoonbare zone bevinden. Dat wil zeggen dat ze op zo’n afstand tot hun ster staan dat er vloeibaar water aan het oppervlak zou kunnen zijn. En dus mogelijk leven.
Niet voor niets staan astronomen te trappelen om het stelsel te onderzoeken. Tot nu toe zijn er al tien onderzoeksprogramma’s geweest die met de James Webb-telesecoop al 290 uur aan waarnemingen hebben verzameld.
MIRI
De huidige studie van het Max Planck Instituut, waar ook onderzoeker Michiel Min van het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek (SRON) aan meewerkte, maakt gebruik van metingen van de thermische infraroodstraling – oftewel de warmtestraling – van de planeet Trappist-1 b met de MIRI (Mid-Infrared Imager) van James Webb. Het onderzoek bouwt voort op eerdere resultaten, waarin Trappist-1 b werd beschreven als een donkere rotsachtige planeet zonder atmosfeer.
“Het idee van een rotsachtige planeet met een sterk verweerd oppervlak zonder atmosfeer is echter niet consistent met de huidige meting”, reageert astronoom Jeroen Bouwman, die mede verantwoordelijk was voor het observatieprogramma. “We denken daarom dat de planeet bedekt is met relatief onveranderd materiaal.” Meestal raakt het oppervlak verweerd door de straling van de centrale ster en inslagen van meteorieten. De resultaten tonen echter aan dat het gesteente op het oppervlak hooguit zo’n 1000 jaar oud is. Dat is een stuk jonger dan de planeet zelf, die naar schatting enkele miljarden jaren oud is.
Vergelijkbaar met Io
Dit kan betekenen dat de korst van de planeet onderhevig is aan enorme veranderingen, die verklaard kunnen worden door extreme vulkanische activiteit of plaattektoniek. Zelfs als zo’n scenario nog hypothetisch is, blijft het plausibel. De planeet is groot genoeg om restwarmte van zijn vorming vast te houden, net als de Aarde. Het getijdeneffect van de centrale ster en de andere planeten kan Trappist-1 b ook vervormen, waardoor interne wrijving warmte genereert – vergelijkbaar met wat we zien op Jupiters maan Io. Bovendien is verwarming door het magnetische veld van de nabije ster denkbaar.
“De gegevens bieden echter ook ruimte voor een heel andere verklaring”, zegt Thomas Henning, een van de belangrijkste ontwerpers van het MIRI-instrument. “In tegenstelling tot eerdere ideeën zijn er omstandigheden denkbaar waaronder de planeet een dikke atmosfeer rijk aan koolstofdioxide zou kunnen hebben.” Een belangrijke rol in dit scenario speelt nevel van koolwaterstofverbindingen, oftewel smog, in de bovenste atmosfeer.
Geen verduistering
De twee observatieprogramma’s die elkaar aanvullen in de huidige studie, waren gericht op het meten van de helderheid van Trappist-1 b bij verschillende golflengten in het thermische infrarode bereik. De eerste observatie was gevoelig voor de absorptie van infraroodstraling van de planeet door een laag CO2. Er werd echter geen verduistering gemeten, dus zou de planeet geen atmosfeer hebben, was de conclusie van de onderzoekers destijds.
Het onderzoeksteam voerde echter nieuwe modelberekeningen uit waaruit blijkt dat nevel de temperatuurverdeling van een CO2-rijke atmosfeer kan omkeren. Normaal gesproken zijn de lagere lagen bij het oppervlak warmer dan de bovenste vanwege de hogere druk. Maar wanneer de nevel het sterrenlicht absorbeert en opwarmt, worden de bovenste atmosferische lagen juist warmer, versterkt door een broeikaseffect. Daardoor zou de kooldioxide daar zelf infraroodstraling uitzenden.
Net als Titan
“Dit scenario komt vrij veel voor in het zonnestelsel”, zegt onderzoeker Michiel Min van SRON. “Denk bijvoorbeeld aan de smoglaag in de atmosfeer van Titan, een maan van Saturnus. Maar we verwachten dat de samenstelling van de atmosfeer rond Trappist-1b heel anders is dan alles wat we uit ons zonnestelsel kennen. Deze ster is namelijk koeler en actiever, met bijvoorbeeld veel meer UV-straling. Dat maakt dit razend spannend.”
Maar zelfs als de gegevens in dit scenario passen, achten de astronomen het nog steeds niet heel waarschijnlijk. Aan de ene kant is het moeilijker om koolwaterstofverbindingen te produceren die een nevel vormen in een CO2-rijke atmosfeer. De atmosfeer van Titan bestaat echter voornamelijk uit methaan. Aan de andere kant blijft het probleem dat actieve rode dwergsterren, zoals Trappist-1, straling en sterrenwinden produceren die gemakkelijk de atmosfeer van nabije planeten kunnen eroderen gedurende miljarden jaren.
Nieuwe observaties
Het blijft dus vooralsnog een raadsel hoe het zit met de atmosfeer van Trappist-1 b. De studie maakt wel duidelijk hoe moeilijk het momenteel is om de aanwezigheid en samenstelling van de atmosfeer van rotsachtige planeten te bepalen. De atmosfeer van dergelijke planeten is dun vergeleken met die van gasreuzen en produceert slechts zwakke meetbare signalen. De twee observaties die de helderheid bij twee golflengten bestudeerden, duurden bijna 48 uur. Dit was niet genoeg om met zekerheid vast te stellen of de planeet een atmosfeer heeft.
Daarom zijn de onderzoekers nog aan de slag gegaan met een andere observatie, waarbij de volledige baan van de planeet rond de ster wordt geobserveerd, inclusief alle lichtfases, van de donkere nachtzijde bij passage voor de ster tot de heldere dagzijde net voor en na bedekking door de ster. Zo kunnen de onderzoekers een zogenaamde fasecurve maken, die de helderheidsvariatie van de planeet langs zijn baan aangeeft.
De onderzoekers hebben deze meting al uitgevoerd met Trappist-1 b. Door te analyseren hoe de warmte over de planeet wordt verdeeld, kunnen ze bepalen of er een atmosfeer is. Een atmosfeer helpt namelijk warmte van de dagzijde naar de nachtzijde te transporteren. Als de temperatuur abrupt verandert op de overgang tussen de twee zijden, wijst dit op het ontbreken van een atmosfeer.
