Webb detecteert secundaire atmosfeer op 55 Cancri e

Volgens nieuw onderzoek kan gas dat opborrelt uit een met lava bedekt oppervlak op de superaarde-exoplaneet 55 Cancri e een atmosfeer voeden die rijk is aan kooldioxide of koolmonoxide.

55 Cancri e is een van de vijf planeten die rond de zonachtige ster 55 Cancri A draaien, die zich op een afstand van 40 lichtjaar in het sterrenbeeld Kreeft bevindt.

Deze planeet, in 2004 gevonden, heeft een straal die twee keer zo groot is als die van de Aarde en een massa die echt keer zo groot is, waardoor het een zogenaamde superaarde is.

55 Cancri e draait op een afstand van 0,015 AE in 18 uur rond zijn moederster – ongeveer 25 keer dichterbij dan Mercurius bij de Zon staat.

De planeet draait ook in een gebonden rotatie, wat betekent dat hij niet roteert zoals de Aarde dat maar in plaats daarvan is er een permanente dagkant en een nachtkant.

Eerdere studies van 55 Cancri e met behulp van de Spitzer Space Telescope suggereerden de aanwezigheid van een aanzienlijke atmosfeer die rijk is aan vluchtige stoffen zoals zuurstof, stikstof en koolstofdioxide.

Maar astronomen konden een andere mogelijkheid niet uitsluiten: dat de planeet kaal is, afgezien van een dun laagje verdampt gesteente, rijk aan elementen als silicium, ijzer, aluminium en calcium.

De planeet is zo heet dat een deel van het gesmolten gesteente zou moeten verdampen, aldus de onderzoekers.

Om onderscheid te maken tussen de twee mogelijkheden gebruikte het onderzoeksteam de NIRCam en MIRI-instrumenten van de Webb Space Telescope om infraroodlicht van 4 tot 12 micrometer te meten dat afkomstig was van 55 Cancri e.

Hoewel Webb geen direct beeld van de planeet kan vastleggen kan hij subtiele veranderingen in het licht van het hele systeem meten terwijl de planeet om de ster draait.

Door de helderheid tijdens de secundaire zonsverduistering, wanneer de planeet zich achter de ster bevindt, af te trekken van de helderheid wanneer de planeet vlak naast de ster staat, konden de astronomen de hoeveelheid licht van verschillende golflengtes berekenen die van de dagzijde van de planeet komt.

Deze methode, bekend als secundaire eclipsspectroscopie, is vergelijkbaar met de methode die door andere onderzoeksteams wordt gebruikt om naar atmosferen op rotsachtige exoplaneten, zoals TRAPPIST-1b, te zoeken.

De eerste indicatie dat 55 Cancri e een substantiële atmosfeer zou kunnen hebben, kwam van tempratuurmetingen op basis van thermische emissie ervan, de warmte-energie die werd afgegeven in de vorm van infrarood licht.

Als de planeet bedekt is met donker gesmolten gesteente met een dunne sluier van verdampt gesteente, of helemaal geen atmosfeer heeft, zou de dagzijde ongeveer 2200 °C moeten zijn. Maar in plaats daarvan lieten MIRI-gegevens een relatief lage temperatuur van ± 1540 °C zien.

Dit is een zeer sterke aanwijzing dat energie van de dagzijde naar de nachtzijde wordt gedistribueerd, hoogst waarschijnlijk door een vluchtige, rijke atmosfeer, aldus de onderzoekers.

Hoewel lavastromen enige warmte naar de nachtzijde kunnen transporteren, kunnen ze deze niet efficiënt genoeg verplaatsen om het koelende effect te verklaren.

Toen de onderzoekers naar de NIRCam-gegevens keken, zagen ze patronen die consistent waren met een vluchtige, rijke atmosfeer.

De onderzoekers zien bewijs voor een dip tussen 4 en 5 µm, dit suggereert de aanwezigheid van een atmosfeer die koolmonoxide of kooldioxide bevat, die beide deze golflengtes van licht absorberen.

Een planeet zonder atmosfeer of alleen verdampt gesteente in een atmosfeer zou dit specifieke spectrale kenmerk niet hebben.

De afgelopen tien jaar hebben wetenschappers verschillende scenario’s gemodelleerd, in een poging zich voor te stellen hoe deze wereld eruit zou kunnen zien. Eindelijk enige bevestiging krijgen van ons werk is van onschatbare waarde.

De onderzoekers denken dat de gassen die 55 Cancri e bedekken uit het binnenste opborrelen in plaats van aanwezig te zijn sinds het ontstaan van de planeet.

De primaire atmosfeer zou allang verdwenen zijn vanwege de hoge temperatuur en de intense straling van de ster. Die zou dus een secundaire atmosfeer zijn die voortdurend wordt aangevuld door de magma-oceaan. Magma bestaat niet allen uit kristallen en vloeibaar gesteente, er zit ook veel opgelost gas in.

Naar alle waarschijnlijkheid zou elke atmosfeer rondom de planeet complexer en behoorlijk variabel zijn als gevolg van interacties met de magna-oceaan.

Naast koolmonoxide of kooldioxide kunnen er ook gassen zijn zoals stikstof, waterdamp, zwaveldioxide, wat verdampt gesteente en zelfs kortstondige wolken bestaande uit kleine druppeltjes lava die uit de lucht zijn gecondenseerd.

Hoewel 55 Cancri e veel te heet is om bewoonbaar te zijn, denken wetenschappers dat het een uniek venster zou kunnen bieden voor het bestuderen van interacties tussen de atmosferen, oppervlakken en binnensten van rotsachtige planeten, en misschien inzicht zou kunnen verschaffen in de vroege Aarde, Venus en Mars, waarvan men denkt dat die in het verleden ook bedekt waren met magma-oceanen.

Uiteindelijk willen astronomen begrijpen welke omstandigheden het mogelijk maken dat een rotsachtige planeet een gasrijke atmosfeer in stand houdt, een belangrijk ingrediënt voor een bewoonbare planeet.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Artikel: R. Hu et al. A secondary atmosphere on the rocky exoplanet 55 Cancri e. Nature, published online April 15, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Eerste publicatie: 9 mei 2024
Bron: NASA/ESA/sci-news