Voor het eerst hebben wetenschappers de ‘duistere zijde’ van een hete Jupiter onder de loep genomen. En dat levert een aantal interessante bevindingen op.

Hete Jupiters zijn forse planeten die dicht bij hun ster staan en daardoor een synchrone rotatie kennen. Dat betekent dat hun omlooptijd gelijk is aan hun rotatietijd en dat resulteert erin dat altijd dezelfde zijde van de planeet op de moederster gericht is. Die zijde – ook wel dagzijde genoemd – is heel helder en voor verschillende hete Jupiters al nader onderzocht. Een stuk lastiger is het echter om grip te krijgen op de nachtzijde: de zijde die van de moederster is afgewend. Maar het is onderzoekers nu voor het eerst gelukt om een vrij goed beeld van die duistere zijde van een hete Jupiter te krijgen. En daarmee hebben we voor het eerst ook een vrij gedetailleerd beeld van de complete atmosfeer van deze exoplaneet.

WASP-121b
Voor hun studie richtten de wetenschappers zich op WASP-121b. De gasreus is bijna twee keer zo groot als Jupiter en bevindt zich op zo’n 850 lichtjaar afstand van de aarde. Daar draait de planeet in slechts 30 uur om de moederster heen. En daarbij is dus ook altijd dezelfde zijde van de planeet op die moederster gericht. Die dagzijde – die zo’n 10 keer helderder is dan de nachtzijde – hadden astronomen eerder al onder de loep genomen. Tijdens dat onderzoek was aan de dagzijde al waterdamp ontdekt. Ook hadden onderzoekers vastgesteld hoe de temperatuur van de atmosfeer aan de dagzijde van WASP-121b naarmate je hoger in die atmosfeer meet, verandert.

Nachtzijde
Daarmee hadden onderzoekers dus al een beeld van de atmosfeer van WASP-121b verkregen, maar doordat de nachtzijde buiten beschouwing was gebleven, was dat beeld incompleet. Het nieuwe onderzoek brengt daar verandering in; in de nieuwe studie zijn wetenschappers niet alleen in staat gebleken om de enorme temperatuurverschillen tussen de atmosfeer aan de dag- en nachtzijde te meten, maar stellen ze ook vast hoe water van die dag- naar de nachtzijde getransporteerd wordt en door toedoen van de uiteenlopende omstandigheden in die atmosfeer transformeert.

Watercyclus
Hier op aarde werkt de watercyclus als volgt: water verdampt, condenseert en valt in de vorm van regen weer naar beneden, om vervolgens weer te verdampen, etc. Op WASP-121b werkt de watercyclus een tikkie anders, zo blijkt uit de nieuwe observaties. Aan de dagzijde worden watermoleculen onder invloed van de extreem hoge temperaturen uit elkaar gerukt. De vrijgekomen waterstof- en zuurstofatomen worden vervolgens door krachtige winden – met snelheden van tot wel 5 kilometer per seconde, oftewel 18.000 kilometer per uur – naar de nachtzijde getransporteerd. Daar liggen de temperaturen veel lager, waardoor de atomen weer samen kunnen komen en watermoleculen kunnen vormen. Die waaien vervolgens door naar de dagzijde, waar de cyclus weer opnieuw begint.

Exotische regen
Maar het zijn mogelijk niet alleen watermoleculen die op deze manier circuleren. De observaties wijzen namelijk ook uit dat de nachtzijde van WASP-121b koud genoeg is om wolken van ijzer en korund (een mineraal dat saffieren en robijnen kan vormen) te herbergen. Als die wolken er werkelijk te vinden zijn, worden ze – net als watermoleculen – door krachtige winden naar de dagzijde getransporteerd. Door de hoge temperaturen aldaar zouden de metalen verdampen en iets verderop misschien weer in de vorm van regen naar beneden komen. In dat geval zou het op WASP-121b dus vloeibare edelstenen regenen!

Methode
De onderzoekers baseren hun conclusies – die gepubliceerd zijn in het blad Nature Astronomy op observaties met behulp van ruimtetelescoop Hubble. Aan boord van deze telescoop bevindt zich de Cosmic Origins Spectrograph. Dit is een instrument dat aan de hand van het lichtspectrum van WASP-121b meer inzicht kan geven in de temperatuur en samenstelling van de atmosfeer van de planeet. Eerder is zo al de dagzijde van hete Jupiters bestudeerd. Het bestuderen van de nachtzijde is echter een stuk lastiger, omdat astronomen dan moeten zoeken naar kleine veranderingen in het volledige lichtspectrum van die rond de moederster cirkelende planeet.

Om meer grip te krijgen op die nachtzijde bestudeerden de astronomen het lichtspectrum van WASP-121b tijdens twee volledige omlopen. En dat leverde een veel completer beeld op van de atmosfeer van WASP-121b. Zo kunnen de onderzoekers op basis van de Hubble-observaties concluderen dat de atmosferische temperatuur aan de dagzijde uiteenloopt van 2500 kelvin (in de diepste waarneembare laag) tot 3500 Kelvin (in de bovenste laag). Aan de nachtzijde loopt de temperatuur uiteen van 1800 Kelvin in de diepste laag tot 1500 Kelvin in de bovenste laag. Vervolgens werden er modellen gebruikt om na te gaan welke chemische stoffen er in die verschillende atmosferische lagen met uiteenlopende temperaturen kunnen voorkomen. En daaruit blijkt dus weer dat ijzer- en korundwolken aan de nachtzijde een reële optie zijn.

Warmte
Het in kaart brengen van de temperaturen op WASP-121b onthult ook dat de warmste plek op de planeet zich niet precies daar bevindt waar je hem zou verwachten. In plaats daarvan bevindt deze zich iets ten oosten van de verwachte locatie. Dat komt volgens de onderzoekers doordat de door de moederster opgewarmde gassen nog voor ze hun warmte aan de ruimte af kunnen geven door krachtige winden richting het oosten worden geslingerd. En die verschuiving van de plek waar WASP-121b de meeste warmte afgeeft, geeft weer meer inzicht in de snelheid van de winden die door de atmosfeer razen. Het leidt onderzoekers tot de conclusie dat deze een snelheid van zo’n 5 kilometer per seconde hebben. “Deze winden gaan veel sneller dan onze straalstroom en kunnen de wolken mogelijk in ongeveer 20 uur tijd om de gehele planeet heen transporteren,” aldus onderzoeker Tansu Daylan.

Webb
Hoewel onderzoekers dankzij Hubble veel meer over WASP-121b te weten zijn gekomen, zijn ze nog lang niet tevreden. Er zijn namelijk nog veel losse eindjes. Daarom willen ze de planeet heel graag nog eens onder de loep nemen, maar nu met behulp van ruimtetelescoop James Webb. Ze hopen met deze telescoop onder meer ook koolstofmonoxide in de atmosfeer van WASP-121b te detecteren. “Het zou voor het eerst zijn dat we een molecuul dat koolstof bevat in de atmosfeer van deze planeet kunnen meten,” stelt Mikal-Evans. En dat zou een waardevolle toevoeging zijn. “De hoeveelheid koolstof en zuurstof in de atmosfeer kan ons namelijk meer vertellen over waar dit soort planeten ontstaan.”

De vorming van hete Jupiters is nog altijd in nevelen gehuld. Het is lastig voor te stellen dat ze op hun huidige locaties zijn ontstaan; de straling van jonge sterren is zo intens dat de gassen die hete Jupiters moeten vergaren om machtige gasreuzen te worden, razendsnel verdampen. Veel onderzoekers vermoeden dan ook dat hete Jupiters op veel grotere afstand van de moederster het levenslicht zien en daarna naar de moederster toe bewegen. Maar ook die zo op het eerste gezicht aannemelijke theorie wordt door vraagtekens omringd, want waarom gaan de gasreuzen aan de wandel? En in welke fase van hun bestaan? Er is maar één manier om daar achter te komen: zoveel mogelijk hete Jupiters bestuderen. Inmiddels zijn er al duizenden van deze exotische werelden ontdekt, maar nu is het tijd om ze verder onder de loep te nemen. De in december gelanceerde James Webb-telescoop kan daarbij helpen; deze superkrachtige ruimtetelescoop wordt momenteel klaargemaakt voor de eerste observaties die ergens in juni moeten plaatsvinden. Enige tijd geleden konden wetenschappers een greep doen naar de eerste 6000 uur waarneemtijd. Het leidde tot talloze voorstellen, waarvan er uiteindelijk 266 gehonoreerd zijn, waaronder dus ook een voorstel van Mikal-Evans en collega’s om WASP-121b nog eens goed te bekijken.