En het begint al gelijk goed: James Webb trapt af met het bestuderen van twee bijzonder interessante superaardes.

Stel je voor dat de aarde veel, veel dichter bij de zon zou staan. Zo dichtbij, dat een heel jaar maar een paar uur duurt. Op het ene halfrond is het permanent dag, terwijl het andere halfrond in eindeloze duisternis is gehuld. Oceanen koken er weg, rotsen smelten en uit de wolken regent het lava. Hoewel zoiets niet bestaat in ons eigen zonnestelsel, zijn planeten zoals deze – rotsachtig, ongeveer ter grootte van de aarde, extreem heet en dicht bij hun moederster – niet ongewoon in het Melkwegstelsel. Hoe de oppervlakken en atmosferen van deze bizarre planeten eruitzien? Ruimtetelescoop James Webb staat op het punt een aantal antwoorden te geven!

Aan de slag
Inderdaad, want het is eindelijk zo ver: ruimtetelescoop James Webb gaat bijna aan de slag! De telescoop werd op eerste kerstdag gelanceerd en arriveerde ongeveer een maand later op de plaats van bestemming. De afgelopen maanden zijn ingenieurs bezig geweest de instrumenten te kalibreren en de spiegelsegmenten zo uit te lijnen dat ze samen als één grote spiegel functioneren. Ook is de krachtige ruimtetelescoop ondertussen goed afgekoeld – dat is nodig om het infrarode licht van lichtzwakke, verre objecten waar te nemen. En dus hoeven we niet lang meer te wachten. Want over slechts weken gaat de spannende missie van James Webb eindelijk écht van start.

Superaardes
Het begint al gelijk goed. Want James Webb zal als eerste twee hete exoplaneten onder de loep gaan nemen, die vanwege hun grootte en rotsachtige samenstelling als ‘superaardes’ worden aangemerkt. Het betreft de met lava bedekte 55 Cancri e en de luchtloze LHS 3844 b.

De rotsachtige exoplaneten LHS 3844 b en 55 Cancri e vergeleken met de aarde en Neptunus. Zowel 55 Cancri e als LHS 3844 b bevinden zich qua grootte en massa tussen de aarde en Neptunus in, maar qua samenstelling lijken ze meer op de aarde. Afbeelding: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

55 Cancri e bevindt zich op zo’n 40 lichtjaar afstand van de aarde en draait gevaarlijk dicht rondom zijn moederster. Zo heeft deze planeet een omloopbaan van minder dan 18 uur en staat hiermee 26 keer dichter bij zijn moederster dan de afstand tussen Mercurius en de zon. Het betekent dat de oppervlaktetemperaturen fors oplopen, waardoor 55 Cancri e mogelijk bedekt is met een oceaan van lava.

Mysterie
Er is alleen iets geks met deze superaarde aan de hand. Planeten die namelijk zo dicht rond hun moederster draaien, worden verondersteld ‘getijde-vergrendeld’ te zijn. Dit betekent dat ze een dag- en nachtzijde hebben, waarbij de dagzijde permanent op de moederster gericht is. Als gevolg hiervan zijn de temperaturen het hoogst op de plek die het meest direct naar de ster is gericht. Bovendien zou de hoeveelheid warmte die van de dagzijde komt in de loop van de tijd redelijk constant moeten blijven. Maar dit is allebei op 55 Cancri e verrassend genoeg precies niet het geval.

Atmosfeer
Aan James Webb de taak om dit mysterie te ontraadselen. “55 Cancri e zou een dikke atmosfeer kunnen hebben die wordt gedomineerd door zuurstof of stikstof,” verklaart onderzoeker Renyu Hu. “Als 55 Cancri e inderdaad over een atmosfeer beschikt, is Webb in staat deze te detecteren en te bepalen waar het uit bestaat.” Een andere mogelijkheid is dat 55 Cancri e niet getijde-vergrendeld is en een gewone dag-nachtcyclus heeft. In dit scenario zou het oppervlak gedurende de dag opwarmen, smelten en zelfs verdampen, waardoor een zeer dunne atmosfeer ontstaat die Webb kan detecteren. ‘s Avonds zou de damp afkoelen en condenseren, waardoor er druppeltjes lava worden gevormd die op het oppervlak regenen en weer vast worden als de avond valt.

LHS 3844 b
Terwijl 55 Cancri e inzicht zal geven in de exotische geologie van een met lava bedekte wereld, biedt LHS 3844 b een unieke kans om het vaste gesteente op een exoplaneet te analyseren. Net als 55 Cancri e draait LHS 3844 b extreem dicht rond zijn moederster en voltooit elke 11 uur één omwenteling. Omdat zijn moederster echter relatief klein en koel is, lopen de temperaturen op het oppervlak niet extreem hoog op. Eerdere waarnemingen hebben bovendien aangetoond dat de planeet geen atmosfeer heeft. En dat is interessant.

Gesteentes
Hoewel het oppervlak van LHS 3844 b niet rechtstreeks met Webb in beeld gebracht kan worden, maakt de afwezigheid van een verduisterende atmosfeer het mogelijk om het oppervlak met spectroscopie te bestuderen. “Verschillende soorten gesteente hebben verschillende spectra,” legt onderzoeker Laura Kreidberg uit. “Je kunt met je eigen ogen zien dat graniet lichter van kleur is dan basalt. En soortgelijke verschillen zijn waarneembaar in infrarood.” De onderzoekers zullen met behulp van MIRI (het instrument van James Webb dat zich richt op straling in het mid-infrarood) het thermische emissiespectrum van de dagzijde van LHS 3844 b bestuderen en dit vervolgens vergelijken met dat van bekende gesteenten – zoals basalt en graniet – om de samenstelling te bepalen. Als de planeet vulkanisch actief is, kan het spectrum ook sporen van vulkanische gassen aan het licht brengen.

Belang
Het belang van de waarnemingen van 55 Cancri e en LHS 3844 b reikt veel verder dan het simpelweg bestuderen van twee van de ondertussen meer dan 5000 bevestigde exoplaneten. “Het verschaft ons fantastisch nieuw inzicht in aardachtige planeten,” zegt Kreidberg. “Bovendien vertelt het ons meer over hoe de vroege aarde eruit zou kunnen hebben gezien toen het net zo heet was als deze planeten nu zijn.”

Dit is overigens nog maar het begin. Want Webb zal elke fase van de kosmische geschiedenis onderzoeken – van binnen het zonnestelsel tot de verste waarneembare sterrenstelsels in het vroege heelal, en alles daartussenin. De verwachting is dan ook dat deze krachtigste telescoop ooit gebouwd nieuwe en onverwachte ontdekkingen zal onthullen en de mensheid zal helpen de oorsprong van het universum en onze plaats daarin beter te begrijpen.

De James Webb-telescoop is zo groot als een tennisveld en moet onze kijk op het universum (en onszelf) radicaal gaan veranderen. Benieuwd wat de telescoop allemaal gaat bekijken en onderzoeken? Lees er hier alles over!