Wetenschappers dachten wel een aardig beeld te hebben van hoe de atmosfeer van een sub-Neptunus in elkaar steekt. Maar nieuw onderzoek zet alles op zijn kop.
Dat is te lezen in het blad The Astrophysical Journal Letters. Een hoofdrol is in dat onderzoeksartikel weggelegd voor de atmosfeer van sub-Neptunus TOI-421b, die – in tegenstelling tot wat onderzoekers verwachtten – lichte moleculen herbergt.
Veelvoorkomend, maar uitermate mysterieus
De sub-Neptunus – zoals TOI-421b – is naar schatting het meest voorkomende type planeet in ons universum. Tegelijkertijd weten we er echter heel weinig vanaf. De planeten – enkele malen groter dan de aarde, maar kleiner dan gasreuzen en koeler dan hete Jupiters – zijn namelijk uitermate lastig te bestuderen. Wat daarbij ook niet helpt, is dat dit type planeet – om onbekende redenen – niet voorkomt in ons eigen zonnestelsel.
James Webb
En dus konden onderzoekers jarenlang enkel maar gissen naar hoe sub-Neptunussen ontstaan en evolueren. Maar de hoop was dat de krachtige ruimtetelescoop James Webb daar verandering in zou brengen, zo vertelt onderzoeker Eliza Kempton. “Ik heb mijn hele carrière op James Webb gewacht om de atmosfeer van deze kleinere planeten te kunnen karakteriseren. Want door hun atmosfeer te bestuderen, kunnen we gaan begrijpen hoe sub-Neptunussen ontstaan en evolueren – en achterhalen waarom ze niet ons zonnestelsel voorkomen.”
Natuurlijk hebben onderzoekers ook voor ruimtetelescoop James Webb in gebruik werd genomen, wel pogingen ondernomen om de atmosfeer van sub-Neptunussen uit te pluizen. De meest effectieve manier om dat te doen, is door de planeet te bestuderen, terwijl deze voor zijn moederster langs beweegt. Het licht van de moederster sijpelt dan door de atmosfeer van de sub-Neptunus en ontmoet daar allerlei gassen die hun stempel drukken op het spectrum van het sterlicht. En uit dat spectrum kan dan worden afgeleid welke gassen het licht is tegengekomen en welke gassen dus in de atmosfeer van de sub-Neptunus voorkomen. Maar vóór James Webb ten tonele kwam, leverde die aanpak eigenlijk niets op; het spectrum gaf niets prijs. Dat komt vermoedelijk door aerosolen; kleine deeltjes en druppels die wolken of nevels in de atmosfeer van sub-Neptunussen vormen. Die verstrooien het sterlicht, waardoor de gassen in de atmosfeer er geen duidelijk stempel meer op drukken en het spectrum ‘onleesbaar’ wordt voor wetenschappers die proberen om er de gassamenstelling uit af te lezen. En zo bleef de samenstelling van de atmosfeer van sub-Neptunussen – letterlijk en figuurlijk – in nevelen gehuld. De hoop bleef echter dat James Webb er wel doorheen zou kunnen prikken.
Zwaar versus licht
En jawel: recent heeft ruimtetelescoop James Webb al aangetoond dat deze in staat is om de atmosfeer van sub-Neptunussen uit te pluizen. Die eerste observaties hintten erop dat de atmosfeer van sub-Neptunussen vooral veel zware moleculen herbergt. Maar nu blijkt uit nieuwe observaties dus dat het ook heel anders kan. Want in het nieuwe onderzoek – eveneens gebaseerd op waarnemingen van Webb – tonen onderzoekers tot hun eigen verbazing aan dat de atmosfeer van sub-Neptunus TOI-421b vooral veel ‘licht’ waterstof herbergt. “We hadden ons net verzoend met het idee dat de eerste paar sub-Neptunussen die we met Webb hadden bestudeerd atmosferen met zware moleculen hadden, dus dat was onze verwachting geworden,” vertelt Kempton. “En toen vonden we het tegenovergestelde.”
TOI-421b
Dat Kempton en collega’s besloten om juist de sub-Neptunus TOI-421b te bekijken, heeft alles te maken met de temperatuur van deze planeet. Die ligt wat hoger dan de temperatuur van de eerder door James Webb bestudeerde sub-Neptunussen. En de onderzoekers hoopten dat die hogere temperatuur in een heldere – oftwel nevelvrije – atmosfeer zou resulteren. De nevels op sub-Neptunussen ontstaan vermoedelijk namelijk door een complexe reeks fotochemische reacties tussen zonlicht en methaangas. Maar omdat hetere planeten geen methaan bezitten, mag je verwachten dat ze ook geen nevels herbergen, zo luidde de hypothese. En die lijkt te kloppen, want op TOI-421b stuitten Kempton en collega’s op een heldere atmosfeer.
Waterstof
En in die heldere atmosfeer stuitten ze dus weer op een verrassing. Want in de atmosfeer van TOI-421b ontdekten ze waterdamp, maar ook voorzichtige aanwijzingen voor de aanwezigheid van koolstofmonoxide en zwaveldioxide. Daarnaast bleken methaan en koolstofdioxide juist afwezig te zijn. De data hinten erop dat de atmosfeer van TOI-421 rijk is aan waterstof. En die ‘lichtgewicht’ waterstofatmosfeer hadden onderzoekers niet verwacht, omdat James Webb eerder in de atmosfeer van (koelere) sub-Neptunussen vooral zware moleculen had aangetroffen.
De nieuwe bevindingen roepen de vraag op of TOI-421b misschien anders gevormd en geëvolueerd is dan de koelere sub-Neptunussen die eerder door James Webb onder de loep zijn genomen of dat sub-Neptunussen in het algemeen gewoon diverser zijn dan gedacht. Het antwoord kunnen we maar op één manier vinden: door meer hete sub-Neptunussen te bestuderen. “Deze warme planeten zijn geschikt voor karakterisatie,” stelt Kempton. “Dus door naar sub-Neptunussen met deze temperatuur te kijken, kunnen we mogelijk sneller meer over deze planeten te weten komen.”
