Een groep astronomen, onder leiding van Thomas Mikal-Evans van het Max Planck Instituut voor Astronomie, heeft de eerste gedetailleerde meting gedaan van de atmosferische omstandigheden aan de nachtzijde van de hete Jupiter WASP-121b. Door metingen van de dagzijde op te nemen, hebben ze bepaald hoe water van fysische toestand verandert wanneer het zich beweegt tussen de hemisferen van de exoplaneet WASP-121 b.
Terwijl metalen en mineralen in de lucht verdampen aan de hete dagzijde, zijn er aan de koelere nachtzijde metaalwolken en regen gemaakt van vloeibare edelstenen. Deze studie, gepubliceerd in Nature Astronomy, is een grote stap in het ontcijferen van de globale cycli van materie en energie in de atmosferen van exoplaneten.
De eerste ontdekking van een exoplaneet rond een zonachtige ster meer dan 25 jaar geleden introduceerde een nieuwe en exotische klasse planeten, een hete Jupiter. Hete Jupiters zijn Jupiterachtige gasreuzenplaneten die in een nauwe baan rond hun moederster draaien, slechts enkele sterdiameters van elkaar verwijderd. Door hun nabijheid wordt de planeet door de straling van de ster verhit tot enkele honderden tot enkele duizenden graden Celsius. Van de bijna 5000 bekende exoplaneten zijn er meer dan 300 zulke hete Jupiters.
Met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop heeft een internationale samenwerking van wetenschappers onder leiding van Thomas Mikal-Evans van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, de atmosferische eigenschappen onderzocht van de hete Jupiter WASP-121 b. Astronomen hadden deze exoplaneet in 2015 ontdekt in het sterrenbeeld Puppis op een afstand van 855 lichtjaar. Zijn massa is ongeveer 20% groter dan die van Jupiter, terwijl WASP-121 b een diameter heeft die bijna twee keer zo groot is.
"Ondanks de ontdekking van duizenden exoplaneten hebben we slechts van een klein deel de atmosfeer kunnen bestuderen vanwege de moeilijke aard van de waarnemingen," zegt Mikal-Evans. "Tot nu toe hebben de meeste van deze metingen beperkte informatie opgeleverd, zoals basisdetails over de chemische samenstelling of de gemiddelde temperatuur in specifieke subregio's van de atmosfeer."
De meest gedetailleerde verkenning van de nachtelijke omgeving van een exoplaneet
Met de nieuwe waarnemingen hebben de astronomen het meest gedetailleerde inzicht tot nu toe gekregen in de omstandigheden van een nachtelijk halfrond van een exoplaneet. Zoals alle hete Jupiters is de rotatie van WASP-121 b tidaal vergrendeld aan zijn baan rond zijn moederster. Eén baan van 30 uur rond de ster vergt dus evenveel tijd als de planeet nodig heeft om eenmaal rond zijn as te draaien. Het resultaat is dat het halfrond dat naar de ster is gericht, altijd te lijden heeft onder het gloeiend hete stellaire oppervlak. Evenzo wordt de koelere nachtzijde voortdurend geconfronteerd met de koude en donkere ruimte. Door de gegevens van de dag- en nachthemisferen samen te voegen, leidt de analyse van het team tot de eerste uitgebreide kijk op hoe de atmosfeer van een exoplaneet functioneert als een wereldwijd systeem.
"Om het volledige oppervlak van WASP-121 b te onderzoeken, hebben we met Hubble spectra genomen tijdens twee volledige planeetomwentelingen," legt co-auteur David Sing van de Johns Hopkins University in Baltimore, VS, uit. Met deze techniek en ondersteund door modellering van de gegevens, heeft de groep de bovenste atmosfeer van WASP-121 b over de gehele planeet onderzocht en daarbij voor het eerst de volledige watercyclus van een exoplaneet waargenomen.
De exotische watercyclus op WASP-121 b
Op aarde verandert water voortdurend van fysische toestand. Vast ijs smelt tot vloeibaar water. Water verdampt tot een gas en condenseert dan in druppels om wolken te vormen. De cyclus eindigt wanneer die druppels uitgroeien tot regendruppels die uiteindelijk naar beneden vallen om rivieren en oceanen te vullen. De nieuwe Hubble-gegevens onthullen echter een watercyclus op WASP-121 b die er heel anders uitziet.
Aan de kant van de planeet die naar de centrale ster is gericht, wordt de bovenste atmosfeer zo heet als ongeveer 3000 graden Celsius. Bij dergelijke temperaturen begint het water te gloeien, en veel van de moleculen vallen zelfs uiteen in hun atomaire componenten. De Hubble-gegevens laten ook zien dat de temperatuur op het nachtelijk halfrond met ongeveer 1500 graden Celsius daalt. Dit extreme temperatuurverschil tussen de twee halfronden leidt tot sterke winden die de hele planeet van west naar oost omspoelen en de verstoorde watermoleculen meeslepen. Uiteindelijk bereiken ze de nachtzijde. Door de lagere temperaturen kunnen de waterstof- en zuurstofatomen weer samengaan en waterdamp vormen voordat ze weer naar de dagzijde worden geblazen en de cyclus zich herhaalt. De temperaturen dalen nooit laag genoeg om waterwolken te vormen gedurende de hele cyclus, laat staan regen te laten vallen.
Metalen wolken en regen gemaakt van vloeibare edelstenen
In plaats van water bestaan de wolken op WASP-121 b voornamelijk uit metalen zoals ijzer, magnesium, chroom en vanadium. Eerdere waarnemingen hebben de spectrale signalen van deze metalen als gassen aan de hete dagzijde onthuld. De nieuwe Hubble-gegevens wijzen erop dat de temperaturen laag genoeg zijn om de metalen aan de nachtzijde te laten condenseren tot wolken. Dezelfde naar het oosten gerichte winden die de waterdamp over de nachtzijde voeren, zouden deze metaalwolken ook weer terugblazen naar de dagzijde, waar ze weer verdampen.
Vreemd genoeg behoorden aluminium en titanium niet tot de gassen die werden waargenomen in de atmosfeer van WASP-121 b. Een waarschijnlijke verklaring hiervoor is dat deze metalen zijn gecondenseerd en neergeregend in diepere lagen van de atmosfeer, die niet toegankelijk zijn voor waarnemingen. Deze regen zou anders zijn dan alle andere die we in het zonnestelsel kennen. Zo condenseert aluminium met zuurstof tot de verbinding korund. Met onzuiverheden van chroom, ijzer, titanium of vanadium, kennen we het als robijn of saffier. Het zou dus vloeibare edelstenen kunnen regenen op de nachtelijke hemisfeer van WASP-121 b.
Vooruitzichten met de James Webb-ruimtetelescoop
"Het is opwindend om planeten zoals WASP-121 b te bestuderen, die heel anders zijn dan die in ons zonnestelsel, omdat ze ons in staat stellen te zien hoe atmosferen zich onder extreme omstandigheden gedragen," zegt co-auteur Joanna Barstow van The Open University in Milton Keynes, Verenigd Koninkrijk. Mikal-Evans voegt daaraan toe: "Om deze planeet beter te begrijpen, gaan we hem observeren met de James Webb-ruimtetelescoop in het eerste jaar dat die in bedrijf is." Door golflengten te bestrijken die buiten het bereik van de Hubble-telescoop vallen, zal het team met deze waarnemingen de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer kunnen bepalen, wat aanwijzingen zou kunnen bevatten over hoe en waar WASP-121 b zich in de protoplanetaire schijf heeft gevormd. De metingen zullen zelfs nauwkeurig genoeg zijn om meer te weten te komen over de windsnelheden op verschillende hoogtes in de atmosfeer.
Bron: Max-Planck Institut für Astronomie
