Wetenschappers hebben met behulp van NASA's James Webb-ruimtetelescoop een zeldzaam type exoplaneet waargenomen, oftewel een planeet buiten ons zonnestelsel, waarvan de samenstelling van de atmosfeer ons begrip van hoe deze is ontstaan op de proef stelt. Dit object, met de officiële naam PSR J2322-2650b, heeft een massa vergelijkbaar met die van Jupiter en lijkt een exotische atmosfeer te hebben die wordt gedomineerd door helium en koolstof, iets wat nog nooit eerder is waargenomen.
Waarschijnlijk zweven er roetwolken door de lucht en diep in de planeet kunnen deze koolstofwolken condenseren en diamanten vormen. Hoe de planeet is ontstaan, is een raadsel. Het artikel verschijnt dinsdag in The Astrophysical Journal Letters. “Dit was een absolute verrassing”, aldus medeauteur Peter Gao van het Carnegie Earth and Planets Laboratory in Washington. “Ik herinner me dat toen we de gegevens binnen hadden, onze gezamenlijke reactie was: ‘Wat is dit in vredesnaam?’. Het wijkt enorm af van wat we hadden verwacht.” Van dit object met de massa van een planeet was bekend dat het rond een pulsar draaide, een snel ronddraaiende neutronenster. Een pulsar zendt met regelmatige tussenpozen, meestal variërend van milliseconden tot seconden, stralen elektromagnetische straling uit. Deze pulserende stralen zijn alleen te zien wanneer ze rechtstreeks op de aarde zijn gericht, net als de stralen van een vuurtoren. Deze millisecondepulsar zendt naar verwachting voornamelijk gammastraling en andere hoogenergetische deeltjes uit, die onzichtbaar zijn voor het infraroodzicht van Webb. Zonder een heldere ster in de weg kunnen wetenschappers de planeet in detail bestuderen over zijn hele baan. “Dit systeem is uniek omdat we de planeet kunnen zien die door zijn moederster wordt verlicht, maar de moederster zelf helemaal niet kunnen zien”, aldus Maya Beleznay, een derdejaars promovendus aan de Stanford University in Californië, die heeft gewerkt aan het modelleren van de vorm van de planeet en de geometrie van zijn baan. “Daardoor krijgen we een echt ongerept spectrum. En we kunnen dit systeem gedetailleerder bestuderen dan normale exoplaneten.”
“De planeet draait rond een ster die volkomen bizar is: hij heeft de massa van de zon, maar is zo groot als een stad”, aldus Michael Zhang van de Universiteit van Chicago, hoofdonderzoeker van deze studie. “Dit is een nieuw type planetaire atmosfeer dat nog nooit eerder is waargenomen. In plaats van de normale moleculen die we op een exoplaneet verwachten aan te treffen, zoals water, methaan en kooldioxide, zagen we moleculaire koolstof, met name C3 en C2.” Moleculaire koolstof is zeer ongebruikelijk omdat bij deze temperaturen, als er andere soorten atomen in de atmosfeer aanwezig zijn, koolstof zich daaraan zal binden. (De temperaturen op de planeet variëren van 1200 graden Fahrenheit op de koudste punten van de nachtzijde tot 3700 graden Fahrenheit op de warmste punten van de dagzijde.) Moleculaire koolstof is alleen dominant als er bijna geen zuurstof of stikstof aanwezig is. Van de ongeveer 150 planeten die astronomen binnen en buiten het zonnestelsel hebben bestudeerd, heeft geen enkele andere detecteerbare moleculaire koolstof. PSR J2322-2650b staat buitengewoon dicht bij zijn ster, op slechts 1 miljoen mijl afstand. Ter vergelijking: de afstand van de aarde tot de zon is ongeveer 100 miljoen mijl. Vanwege zijn extreem krappe baan duurt het hele jaar van de exoplaneet, de tijd die hij nodig heeft om rond zijn ster te draaien, slechts 7,8 uur. De zwaartekracht van de veel zwaardere pulsar trekt de planeet met de massa van Jupiter in een bizarre citroenvorm.
Samen kunnen de ster en de exoplaneet worden beschouwd als een ‘zwarte weduwe’-systeem, hoewel het geen typisch voorbeeld is. Zwarte weduwesystemen zijn een zeldzaam type dubbelstelsel waarin een snel ronddraaiende pulsar gepaard gaat met een kleine, lichtgewicht ster. In het verleden stroomde materiaal van de begeleidende ster naar de pulsar, waardoor de pulsar in de loop van de tijd sneller ging draaien, wat een sterke wind veroorzaakte. Die wind en straling bombarderen en verdampen vervolgens de kleinere en minder massieve begeleidende ster. Net als de spin waarnaar het is vernoemd, verteert de pulsar langzaam zijn ongelukkige partner. Maar in dit geval wordt de begeleider officieel beschouwd als een exoplaneet, niet als een ster. De Internationale Astronomische Unie definieert een exoplaneet als een hemellichaam met een massa van minder dan 13 keer die van Jupiter dat rond een ster, bruine dwerg of stellair overblijfsel, zoals een pulsar, draait. Van de 6000 bekende exoplaneten is dit de enige die doet denken aan een gasreus (met een massa, straal en temperatuur vergelijkbaar met een hete Jupiter) die rond een pulsar draait. Er zijn maar een handvol pulsars bekend die planeten hebben.
“Is dit ding ontstaan zoals een normale planeet? Nee, want de samenstelling is totaal anders”, aldus Zhang. “Is het ontstaan door de buitenkant van een ster te strippen, zoals ‘normale’ zwarte weduwesystemen ontstaan? Waarschijnlijk niet, want kernfysica produceert geen pure koolstof. Het is heel moeilijk voor te stellen hoe je aan deze extreem koolstofrijke samenstelling komt. Het lijkt elk bekend vormingsmechanisme uit te sluiten.” Medeauteur van de studie Roger Romani, van Stanford University en het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology Institute, stelt een suggestief fenomeen voor dat zich in de unieke atmosfeer zou kunnen voordoen. “Naarmate de begeleider afkoelt, begint het mengsel van koolstof en zuurstof in het binnenste te kristalliseren”, aldus Romani. "Zuivere koolstofkristallen drijven naar boven en vermengen zich met het helium, en dat is wat we zien. Maar dan moet er iets gebeuren om de zuurstof en stikstof weg te houden. En dat is waar het mysterie om de hoek komt kijken. “Maar het is fijn om niet alles te weten”, aldus Romani. “Ik kijk ernaar uit om meer te leren over de vreemdheid van deze atmosfeer. Het is geweldig om een puzzel te hebben om op te lossen.”
Met zijn infraroodzicht en buitengewone gevoeligheid is dit een ontdekking die alleen de Webb-telescoop kon doen. Zijn positie op een miljoen mijl van de aarde en zijn enorme zonnescherm houden de instrumenten zeer koud, wat noodzakelijk is voor deze waarnemingen. Het is niet mogelijk om dit onderzoek vanaf de grond uit te voeren. De James Webb-ruimtetelescoop is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries in ons zonnestelsel op, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency).
Bron: NASA
