Gloed van verre planeet op aarde opgepikt

500 biljoen kilometer van ons vandaan draait een hete, zware Jupiter om zijn ster. Astronomen hebben voor het eerst zijn zwakke warmtegloed waargenomen.

De in 1996 ontdekte exoplaneet Tau Boötis b is zes keer zo zwaar als Jupiter, de grootste planeet van ons zonnestelsel, en heeft een atmosfeer die naar boven toe koeler wordt. Dat zijn – héél kort samengevat – de conclusies van recent onderzoek waarbij voor het eerst het zwakke licht van deze verre planeet is gedetecteerd.

Om deze gegevens boven water te krijgen, hebben de onderzoekers, onder wie vier astronomen van de Universiteit Leiden en één van het ruimteonderzoeksinstituut SRON in Utrecht, het onderste uit de kan moeten halen. Ze beschrijven hun resultaten vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Tau Boötis b behoort tot de categorie van de ‘hete Jupiters’: zware, gasrijke planeten die in een krappe baan om hun moederster draaien. Van sommige hete Jupiters is de atmosfeer de afgelopen jaren al onderzocht. Het gaat daarbij echter om planeten die vanaf de aarde gezien tijdens elke omloop eventjes voor hun ster langs schuiven.

Tijdens zo’n planeetovergang absorbeert de atmosfeer van de planeet op specifieke golflengten licht van de ster. Als dit licht vervolgens tot een spectrum wordt ontleed, zijn de ontbrekende golflengten daarin herkenbaar als een patroon van donkere lijntjes dat de chemische samenstelling van de atmosfeer verraadt.

Bij Tau Boötis b gaat dit niet op. Deze volgt een zodanige baan om zijn ster, dat er van ons uit gezien geen planeetovergangen plaatsvinden. Dat hij destijds is ontdekt, komt doordat hij zo zwaar is dat hij zijn moederster ster heen en weer trekt. Door het dopplereffect – hetzelfde verschijnsel dat een verandering van toonhoogte veroorzaakt in het geluid van de sirene van een passerende ambulance – resulteert dat in kleine, regelmatige golflengteverschuivingen in het licht van de ster.

Bij gebrek aan planeetovergangen kan de atmosfeer van Tau Boötis b alleen onderzocht door naar de warmtestraling te kijken die deze circa 1400 °C hete exoplaneet uitzendt. Gemakkelijker gezegd dan gedaan: de ster waar Tau Boötis b op een afstand van 7 miljoen kilometer omheen cirkelt is vijftig lichtjaar (bijna 500 biljoen kilometer) van ons verwijderd en straalt tienduizend keer zo fel als zijn planeet.

Om de detectiekans te vergroten hebben de astronomen gebruik gemaakt van een gevoelig instrument van de Europese Very Large Telescope in Chili. Daarmee is gekeken naar een golflengtegebied waarin het gas koolmonoxide (CO) een duidelijk lijnenpatroon laat zien. Dat is niet de enige reden om voor dit gas te kiezen. „Na moleculaire waterstof, die naar verwachting 99% van de planeetatmosfeer omvat, maar geen lijnen vertoont, is CO bij deze hoge temperatuur het meest voorkomende gas,” legt de Leidse astronoom Ignas Snellen, mede-auteur van het onderzoeksartikel, via e-mail uit.

Niet dat de ‘CO-vingerafdruk’ van Tau Boötis b gemakkelijk waarneembaar is. Het gros van de lijnen in de honderden lichtspectra die de astronomen hebben opgenomen, komt voor rekening van de atmosfeer van onze eigen aarde. De bijdrage van de moederster van de planeet is gering.

„Het belangrijkste is dus om de absorptie van onze aardatmosfeer eruit te filteren,” aldus Snellen. „Dit kunnen we doen doordat de golflengten van deze absorptie stabiel zijn, terwijl het planeetsignaal van golflengte verschuift door het dopplereffect.” Dat effect ontstaat doordat Tau Boötis b om zijn ster cirkelt, waardoor hij afwisselend op ons af komt en van ons weg beweegt.

Het eindresultaat is een lichtspectrum waarin absorptielijnen van koolmonoxide herkenbaar zijn. Uit de dopplerverschuiving die deze lijnen vertonen, blijkt verder dat de omloopbaan van Tau Boötis b schuin op de zichtlijn naar de aarde staat, onder een hoek van 44 graden. En daaruit kan weer worden berekend dat de planeet bijna zes keer zo zwaar is als Jupiter. Vóór dit onderzoek was slechts bekend dat zijn massa meer dan vier Jupitermassa’s moest bedragen.

Het feit dat alleen absorptielijnen zijn waargenomen, wijst erop dat de bovenste laag van de atmosfeer koeler is dan de rest van Tau Boötis b. „Als een planeet een atmosfeer heeft die koeler is dan de planeet zelf, absorberen de moleculen in die atmosfeer meer lichtdeeltjes dan dat ze uitzenden, en krijg je absorptielijnen,” licht Snellen toe.

In dat opzicht onderscheidt Tau Boötis b zich van andere hete Jupiters, die een ‘temperatuurinversie’ laten zien. Dat betekent dat de bovenste laag van hun atmosfeer heter is dan de rest, waardoor hun spectra juist heldere lijnen vertonen in plaats van donkere.

    • Eddy Echternach