Een jonge planeet die rond een humeurige rode dwergster draait, verandert van baan tot baan op onvoorspelbare manieren. De planeet staat zo dicht bij zijn moederster dat hij constant een stortvloed aan energie te verduren krijgt, waardoor zijn waterstofatmosfeer verdampt en van de planeet af puft. Maar tijdens een baan die met de Hubble ruimtetelescoop werd geobserveerd, leek het alsof de planeet helemaal geen materiaal verloor, terwijl een baan die anderhalf jaar later met de Hubble ruimtetelescoop werd geobserveerd duidelijke tekenen van atmosferisch verlies vertoonde.
Deze extreme variabiliteit tussen de verschillende banen schokte astronomen. "We hebben nog nooit gezien dat atmosferische ontsnapping in zo'n korte periode van helemaal niet waarneembaar naar zeer waarneembaar gaat wanneer een planeet voor zijn ster langs trekt," zegt Keighley Rockcliffe van het Dartmouth College in Hanover, New Hampshire. "We verwachtten eigenlijk iets heel voorspelbaars, herhaalbaars. Maar het bleek vreemd te zijn. Toen ik dit voor het eerst zag, dacht ik 'Dat kan niet kloppen'."
Rockcliffe was al even verbaasd toen hij zag dat de atmosfeer van de planeet voor de planeet uitpuilde, als een koplamp op een snel rijdende trein. "Deze ronduit vreemde waarneming is een soort stresstest voor de modellering en de fysica van de evolutie van planeten. Deze waarneming is zo cool omdat we de wisselwerking tussen de ster en de planeet kunnen onderzoeken, die echt extreem is," zei ze.
De moederster AU Microscopii (AU Mic) bevindt zich op 32 lichtjaar van de aarde en herbergt een van de jongste planetenstelsels die ooit zijn waargenomen. De ster is minder dan 100 miljoen jaar oud (een fractie van de leeftijd van onze zon, die 4,6 miljard jaar oud is). De binnenste planeet, AU Mic b, heeft een omlooptijd van 8,46 dagen en bevindt zich op slechts 6 miljoen kilometer van de ster (ongeveer 1/10e van de afstand van de planeet Mercurius tot onze zon). De opgeblazen, gasvormige wereld is ongeveer vier keer zo groot als de diameter van de aarde.
AU Mic b werd in 2020 ontdekt door NASA's Spitzer en TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ruimtetelescopen. De planeet werd gespot met de transitmethode, wat betekent dat telescopen een lichte dip in de helderheid van de ster kunnen waarnemen wanneer de planeet voor de ster langs beweegt. Rode dwergen zoals AU Microscopii zijn de meest voorkomende sterren in ons Melkwegstelsel. Daarom zouden ze de meeste planeten in ons melkwegstelsel moeten herbergen. Maar kunnen planeten rond rode dwergsterren zoals AU Mic b geschikt zijn voor leven? Een belangrijke uitdaging is dat jonge rode dwergen woeste zonnevlammen hebben die vernietigende straling uitstralen. Deze periode van hoge activiteit duurt veel langer dan die van sterren zoals onze zon.
De vlammen worden aangedreven door intense magnetische velden die in de war raken door de wervelende bewegingen van de sterrenatmosfeer. Wanneer de verstrengeling te heftig wordt, breken de velden en verbinden ze zich weer, waardoor enorme hoeveelheden energie vrijkomen die 100 tot 1000 keer energieker zijn dan onze zon tijdens haar uitbarstingen. Het is een zinderende vuurwerkshow van krachtige winden, fakkels en röntgenstraling die planeten in de buurt van de ster wegvaagt. "Dit creëert een echt ongedwongen en eerlijk gezegd angstaanjagende stellaire windomgeving die de atmosfeer van de planeet beïnvloedt," aldus Rockcliffe. Onder deze woeste omstandigheden zouden planeten die zich binnen de eerste 100 miljoen jaar na de geboorte van de ster vormen, het meest last moeten hebben van ontsnapping uit de atmosfeer. Dit zou ertoe kunnen leiden dat een planeet volledig van zijn atmosfeer wordt ontdaan.
"We willen erachter komen wat voor soort planeten deze omgevingen kunnen overleven. Hoe zullen ze er uiteindelijk uitzien als de ster tot rust komt? En is er uiteindelijk kans op bewoonbaarheid, of worden het gewoon verschroeide planeten?" aldus Rockcliffe. "Verliezen ze uiteindelijk het grootste deel van hun atmosfeer en worden hun overlevende kernen superaardes? We weten niet echt hoe die uiteindelijke composities eruit zien, omdat we zoiets niet hebben in ons zonnestelsel."
Door de schittering van de ster kan Hubble de planeet niet rechtstreeks zien, maar de telescoop kan wel veranderingen in de schijnbare helderheid van de ster meten die worden veroorzaakt door waterstof dat van de planeet afstroomt en het sterlicht dimt wanneer de planeet door de ster beweegt. De waterstof in de atmosfeer is zo sterk verhit dat het ontsnapt aan de zwaartekracht van de planeet. De nooit eerder vertoonde veranderingen in de atmosferische uitstroom van AU Mic b kunnen duiden op snelle en extreme variabiliteit in de uitbarstingen van de rode dwerg. Er is zoveel variabiliteit omdat de ster veel wervelende magnetische veldlijnen heeft. Een mogelijke verklaring voor het ontbreken van waterstof tijdens een van de planeetovergangen is dat een krachtige stellaire uitbarsting, die zeven uur eerder plaatsvond, de ontsnappende waterstof zodanig heeft gefotoniseerd dat het transparant werd voor licht en dus niet waarneembaar was.
Een andere verklaring is dat de stellaire wind zelf de planetaire uitstroom vormt, waardoor deze op sommige momenten wel en op andere momenten niet waarneembaar is, en er zelfs voor zorgt dat een deel van de uitstroom vóór de planeet zelf "hikt". Dit wordt voorspeld in sommige modellen, zoals die van John McCann en Ruth Murray-Clay van de Universiteit van Californië in Santa Cruz, maar dit is het eerste soort waarneembaar bewijs dat het gebeurt en in zo'n extreme mate, zeggen onderzoekers.
Hubble-follow-upwaarnemingen van meer transits van AU Mic b moeten extra aanwijzingen geven over de vreemde variabiliteit van de ster en planeet en wetenschappelijke modellen van de atmosferische ontsnapping en evolutie van exoplaneten verder testen.
De Hubble-ruimtetelescoop is een project van internationale samenwerking tussen NASA en ESA. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop. Het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore voert de wetenschappelijke activiteiten van de Hubble-telescoop uit. STScI wordt voor NASA beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.
