Met behulp van de James Webb Space Telescope (JWST) heeft een team van astronomen onder leiding van MPIA een nieuwe exoplaneet in beeld gebracht die rond een ster in het nabijgelegen drievoudige systeem Epsilon Indi draait. De planeet is een koude super-Jupiter met een temperatuur van ongeveer 0 graden Celsius en een brede baan die vergelijkbaar is met die van Neptunus rond de zon. Deze meting was alleen mogelijk dankzij de ongekende beeldvormingsmogelijkheden in het thermisch infrarood van JWST.
Het is een goed voorbeeld van de mogelijkheid om nog veel meer planeten te vinden die qua massa, temperatuur en baan op Jupiter lijken. Het bestuderen van deze planeten zal onze kennis over de vorming en evolutie van gasreuzen in de tijd verbeteren. “We waren enthousiast toen we ons realiseerden dat we deze nieuwe planeet in beeld hadden gebracht”, zei Elisabeth Matthews, een onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland. Zij is de hoofdauteur van het onderliggende onderzoeksartikel dat is gepubliceerd in het tijdschrift Nature. “Tot onze verbazing kwam de heldere vlek die op onze MIRI-beelden verscheen niet overeen met de positie die we voor de planeet verwachtten”, zegt Matthews. “Eerdere studies hadden correct een planeet in dit systeem geïdentificeerd, maar de massa en baanafstand van deze super-Jupiter gasreus onderschat”. Met behulp van JWST kon het team dit rechtzetten.
Deze waarneming is in meerdere opzichten bijzonder. Het is de eerste exoplaneet die met JWST in beeld is gebracht en die nog niet eerder vanaf de aarde in beeld was gebracht en hij is veel kouder dan de gasplaneten die JWST tot nu toe heeft bestudeerd. Een 'afbeelding' betekent dat de planeet als een heldere stip op de beelden verschijnt en dus direct bewijs vormt. De transit en radiale snelheidsmethodes zijn indirect bewijs, omdat de planeet zich alleen openbaart door zijn bemiddelde effect.
JWST-waarnemingen actualiseren eerdere metingen
De planeet draait om de hoofdcomponent van het nabijgelegen drievoudige sterrensysteem Epsilon Indi, kortweg Eps Ind. Astronomische etiketteringsconventies kennen het label Eps Ind A toe aan die hoofdster, een rode dwergster die iets kleiner en koeler is dan de zon. Om de naam van de planeet te construeren wordt er een “b” aan toegevoegd, wat resulteert in de naam Eps Ind Ab. De nieuwe JWST-gegevens komen overeen met een super-Jupiter met een massa die zes keer zo groot is als die van Jupiter in het zonnestelsel. Eps Ind Ab draait om zijn ster in een excentrische, elliptische baan waarvan de verste afstand tot Eps Ind A tussen de 20 en 40 astronomische eenheden zou moeten liggen. Eén astronomische eenheid is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, ongeveer 150 miljoen kilometer. De nieuwe waarden verschillen aanzienlijk van eerdere studies en daarom heeft het team ervoor gekozen om dit een “nieuwe” planeet te noemen.
Foto: T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Koele planeten, hete wetenschap
Tot nu toe zijn er slechts enkele koude gasreuzen bekend die rond sterren van de zonnetijd draaien. Deze planeten zijn allemaal indirect afgeleid uit radiale snelheidsmetingen. Door de planeten in beeld te brengen en er spectra van te nemen, kunnen astronomen hun atmosferen bestuderen en de evolutie van planetenstelsels volgen in vergelijking met rekenmodellen. Het bestuderen van planeten in volgroeide planetenstelsels helpt om de losse eindjes aan elkaar te knopen wat betreft de late stadia van de planeetevolutie en om ons algemene begrip van de vorming en evolutie van planeten te verfijnen. De recente waarnemingen wijzen de weg naar nog veel meer van deze koude gasreuzen. Hiermee kunnen sterrenkundigen een nieuwe klasse exoplaneten bestuderen en ze vergelijken met de gasreuzen in het zonnestelsel.
Hoe koude gasplaneten detecteren
Deze planeten zijn echter moeilijk te vinden met de klassieke detectiemethoden. Planeten ver van hun gastheerster zijn meestal erg koud, in tegenstelling tot de hete Jupiters die op een afstand van slechts enkele stellaire stralen om hun ster cirkelen. Het is zeer onwaarschijnlijk dat brede banen langs de gezichtslijn zijn uitgelijnd om een transit-signaal te produceren. Bovendien is het meten van hun signalen met de radiale snelheidsmethode een uitdaging wanneer slechts een klein deel van de baan kan worden gevolgd. Eerdere studies probeerden een reuzenplaneet rond Eps Ind A te onderzoeken met behulp van radiale snelheidsmetingen. Het extrapoleren van een klein deel van de baan leidde echter tot onjuiste conclusies over de eigenschappen van de planeet. Eps Ind Ab heeft immers ongeveer 200 jaar nodig om rond zijn ster te draaien. Waarnemingen van een paar jaar zijn onvoldoende om de baan met grote precisie te bepalen.
Daarom bedacht het team rond Matthews een andere aanpak. Ze wilden een foto maken van de bekende planeet met behulp van een methode die algemeen bekend staat als directe beeldvorming. Omdat gaststerren van exoplaneten zo helder zijn, overschaduwen ze elk ander object in de buurt. Gewone camera's zouden overweldigd worden door het verblindende sterrenlicht. Daarom gebruikte het team de MIRI-camera (Mid-Infrared Instrument) van JWST, uitgerust met een coronagraaf. Dit lichtblokkerende masker bedekt de ster als een kunstmatige eclips. Een ander voordeel is de nabijheid van Eps Ind tot de aarde, die slechts 12 lichtjaar bedraagt. Hoe kleiner de afstand tot de ster, hoe groter de afstand tussen twee objecten in een beeld, waardoor er een betere kans is om de interferentie van de ster te verminderen. MIRI was de perfecte keuze omdat het in het thermische of midden-infrarood observeert, waar koude objecten helder schijnen.
Wat weten we over Eps Ind Ab?
“We ontdekten een signaal in onze gegevens dat niet overeenkwam met de verwachte exoplaneet,” zegt Matthews. Het lichtpuntje in het beeld bevond zich niet op de voorspelde locatie. “Maar de planeet bleek nog steeds een reuzenplaneet te zijn,” voegt Matthews toe. Maar voordat ze zo'n oordeel konden vellen, moesten de astronomen uitsluiten dat het signaal afkomstig was van een achtergrondbron die niets met Eps Ind A te maken had. “Het is altijd moeilijk om het zeker te weten, maar uit de gegevens bleek dat het vrij onwaarschijnlijk was dat het signaal afkomstig was van een extragalactische achtergrondbron,” legt Leindert Boogaard uit, een andere MPIA-wetenschapper en co-auteur van het onderzoeksartikel. Toen het team in astronomische databases zocht naar andere waarnemingen van Eps Ind, stuitte het op beeldgegevens uit 2019 die waren verkregen met de VISIR-infraroodcamera van de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). Na het opnieuw analyseren van de beelden vond het team een zwak object precies op de positie waar het zich zou moeten bevinden als de bron die met JWST in beeld is gebracht bij de ster Eps Ind A hoort.
De wetenschappers probeerden ook de atmosfeer van de exoplaneet te begrijpen op basis van de beschikbare beelden van de planeet in drie kleuren: twee van JWST/MIRI en één van VLT/VISIR. Eps Ind Ab is zwakker dan verwacht op korte golflengten. Dit zou kunnen wijzen op aanzienlijke hoeveelheden zware elementen, met name koolstof, waaruit moleculen zoals methaan, kooldioxide en koolmonoxide worden opgebouwd, die vaak voorkomen in gasreuzen. Het kan er ook op wijzen dat de planeet een bewolkte atmosfeer heeft. Er is echter meer werk nodig om tot een definitieve conclusie te komen.
Plannen en vooruitzichten
Dit werk is slechts een eerste stap op weg naar de karakterisering van Eps Ind Ab. “Ons volgende doel is het verkrijgen van spectra die ons een gedetailleerde vingerafdruk geven van de klimatologie en chemische samenstelling van de planeet,” zegt Thomas Henning, emeritus directeur van MPIA, co-PI van het MIRI-instrument en co-auteur van het onderliggende artikel. “Op de lange termijn hopen we ook andere planetenstelsels in de buurt te observeren om op zoek te gaan naar koude gasreuzen die mogelijk aan detectie zijn ontsnapt,” zegt Matthews. “Zo'n onderzoek zou als basis kunnen dienen voor een beter begrip van hoe gasplaneten ontstaan en evolueren.”
Bron: Max-Planck Institut für Astronomie
