Astronomen hebben met de James Webb-ruimtetelescoop een unieke exoplaneet ontdekt die om een pulsar draait. De planeet, die door getijdenkrachten tot een citroen is vervormd, heeft een atmosfeer die voor een groot deel uit pure koolstofmoleculen bestaat. Deze vreemde samenstelling tart alle bestaande theorieën over planeetvorming.
In het uitgestrekte heelal draait een wereld die zijn stempel drukt op ons begrip van wat een planeet kan zijn. Wetenschappers hebben met de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) een exoplaneet bestudeerd die rond een razendsnel tollende pulsar cirkelt. De waarnemingen, die eergisteren werden gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, onthullen een atmosfeer die zo vreemd is dat die alle bekende modellen voor planeetvorming op zijn kop zet. De planeet, genaamd PSR J2322–2650b, is niet alleen door zwaartekracht tot een citroenvorm uitgerekt, maar lijkt ook een atmosfeer te hebben die gedomineerd wordt door moleculaire koolstof – een samenstelling die nog nooit eerder is waargenomen.
Het unieke duo: een pulsar en zijn citroenvormige metgezel
Het systeem is bijzonder omdat het bestaat uit twee extreme objecten. De moederster is een milliseconde-pulsar: het supercompacte restant van een ontplofte ster, zo zwaar als onze zon maar niet groter dan een stad, en ook eens 285 keer per seconde om zijn as tolt. Pulsar PSR J2322–2650 was al langer op de radar, omdat een eerdere studie uit 2018, die hem ontdekte, zijn extreem lage radiosterkte en zijn begeleider van planetaire massa al had beschreven. Om de pulsar heen draait de recent gevonden exoplaneet PSR J2322–2650b, een object met de massa van Jupiter. Door de extreme nabijheid – de planeet staat slechts 1,6 miljoen kilometer van de pulsar – ongeveer 1 procent van de afstand Aarde-Zon – duurt een volledige omloop maar 7,8 uur. De intense getijdenkrachten van de pulsar hebben de gasreus vervormd tot een uitgerekte, citroenvormige wereld:
Een onverwachte en raadselachtige atmosfeer
Het grote mysterie kwam aan het licht toen het team, onder leiding van Michael Zhang van de Universiteit van Chicago, de infraroodspectra van de planeet analyseerde. In plaats van op gebruikelijke moleculen zoals water, methaan of kooldioxide te stuiten, vonden de onderzoekers duidelijke aanwijzingen voor moleculaire koolstof, specifiek C₂ en C₃. De aanwezigheid van deze koolstofmoleculen is zo opmerkelijk omdat koolstof normaal gesproken snel bindt met andere elementen zoals zuurstof of stikstof. Het feit dat C₂ en C₃ dominant zijn, betekent dat de atmosfeer van deze planeet extreem verrijkt moet zijn met koolstof, terwijl zuurstof en stikstof vrijwel afwezig zijn. De paper stelt dat de verhouding koolstof/zuurstof (C/O) groter is dan 100 en de verhouding koolstof/stikstof (C/N) groter dan 10.000. Voor de onderzoekers was dit een complete verrassing.
Een mysterie van vorming dat alle theorieën tart
De bizarre samenstelling vormt een groot raadsel voor astronomen. Normale gasreuzen, zoals Jupiter, vormen zich in de schijf van gas en stof rond een jonge ster. “Zwarte-weduwe”-systemen, waarbij een pulsar zijn begeleidende, kleinere dubbelster langzaam ‘op eet’, kunnen doorgaans lichte, verdampte restanten opleveren, maar die hebben meestal een samenstelling die meer gelijkt aan sterren zelf.
PSR J2322–2650b past in geen van beide plaatjes. “Heeft dit ding zich gevormd als een normale planeet? Nee, want de samenstelling is volkomen anders”, zegt Zhang. “Heeft het zich gevormd door de buitenkant van een ster af te pellen, zoals ‘normale’ zwarte-weduwesystemen vertonen? Waarschijnlijk ook niet, omdat de kernfusie in sterren geen pure koolstof produceert.” De extreme koolstofverrijking lijkt elk bekend vormingsmechanisme uit te sluiten, wat suggereert dat er een geheel nieuw of uiterst zeldzaam proces aan ten grondslag ligt.
Een ontdekking die alleen Webb kon maken
Deze waarneming was alleen mogelijk dankzij de unieke capaciteiten van de James Webb-ruimtetelescoop. De pulsar straalt voornamelijk onzichtbare gammastraling uit, waardoor deze in het infrarood ‘onzichtbaar’ is voor Webb. Hierdoor konden wetenschappers het infrarode straling van de planeet zelf en niet de pulsar gedurende zijn volledige 7,8 uur durende omloop bestuderen zonder te worden verblind door zijn moederster. “We krijgen daarom een heel zuiver spectrum terug, wat ons in staat stelt deze bijzondere planeet veel gedetailleerder te analyseren dan normale exoplaneten doorgaans toelaten”, legt Maya Beleznay uit. Ook was Webb, als ultra gekoelde infrarood telescoop in de ruimte, de ideale telescoop voor deze recentste waarnemingen, omdat er vanaf Aarde vanwege storende warmtestraling van onze eigen atmosfeer en telescopen zelf geen goede observaties mogelijk zijn.
Conclusie
De ontdekking van PSR J2322–2650b opent een nieuw hoofdstuk in de exoplaneten wetenschap. Het bewijst niet alleen dat planeten kunnen bestaan in de meest extreme omgevingen, zoals rond de overblijfselen van ontplofte sterren, maar laat ook zien dat hun samenstelling volkomen onverwacht kan zijn. Deze ‘citroen van koolstof’ daagt astronomen uit om bestaande theorieën te herzien en nieuwe modellen te bedenken voor het ontstaan van bijzondere typen exoplaneten. Zoals mede-auteur Roger Romani het stelt: “Het is fijn om niet alles te weten. Ik kijk ernaar uit om meer te leren over de eigenaardigheid van zijn atmosfeer bijvoorbeeld. Het is geweldig om een puzzel te hebben om nog op te lossen.”
