Een lucht van koolmonoxide met wolken van ijzer

Sterrenkunde Voor het eerst is gedetailleerd onderzoek gedaan aan de atmosfeer van een exoplaneet. De dampkring van super-Jupiter HR 8799e blijkt onverwacht veel koolmonoxide te bevatten.

Tekening van ‘Super-Jupiter’ HR8799e, een exoplaneet op 129 lichtjaar van de aarde, wiens atmosfeer nu ongekend gedetailleerd onderzocht is.
Tekening van ‘Super-Jupiter’ HR8799e, een exoplaneet op 129 lichtjaar van de aarde, wiens atmosfeer nu ongekend gedetailleerd onderzocht is. Tekening ESO/L. Calçada

Door vier telescopen te combineren hebben astronomen metingen verricht aan de atmosfeer van de in 2010 ontdekte exoplaneet HR 8799e. Het is voor het eerst dat een exoplaneet met deze techniek (‘optische interferometrie’) is onderzocht. De atmosfeer van deze ‘super-Jupiter’ blijkt te bestaan uit opvallend veel koolmonoxide en juist veel minder methaan dan verwacht. Ook bevat de atmosfeer wolken van ijzer en silicaten.

Gemeten is met de Europese Very Large Telescope, die uit vier afzonderlijke grote telescopen bestaat. Een speciaal instrument, GRAVITY, combineert het licht van deze telescopen op zo’n manier dat er een virtuele ‘reuzentelescoop’ met een middellijn van honderd meter ontstaat. Met behulp van GRAVITY is het zwakke schijnsel dat HR 8799e in het infrarood uitzendt uiteengerafeld tot een ‘spectrum’ – een grafiek van de stralingsintensiteit op verschillende golflengten. Uit dat spectrum kunnen astronomen, gesteund door computermodellen, allerlei eigenschappen van de planeet afleiden, waaronder diens temperatuur, straal en massa.

Warmer dan Jupiter

Door zijn jonge leeftijd is HR 8799e veel warmer dan Jupiter: hij heeft een temperatuur van circa 900 °C. Planeten ontstaan door materie uit hun omgeving aan te trekken, en bij dat proces komt veel energie vrij in de vorm van warmte. Na hun ontstaan koelen planeten af, maar dat gaat heel geleidelijk. De atmosfeer van HR8799e wordt dus van binnenuit verwarmd en niet door zijn zon, zoals bij de aarde het geval is. Uit berekeningen blijkt dat de atmosferen van zulke jonge reuzenplaneten daardoor zeer convectief moeten zijn. Dat wil zeggen dat warme luchtcellen opstijgen, vervolgens afkoelen en weer omlaag zakken. Dat verklaart waarom het spectrum van HR 8799e wel een duidelijke ‘vingerafdruk’ van koolstofmonoxide vertoont, maar – anders dan chemische modellen voor zo’n hete gasplaneet voorspellen – weinig of geen methaan. De sterke convectie voorkomt dat de koolstofmonoxide in zijn atmosfeer met de eveneens daarin aanwezige waterstof reageert en zo methaan vormt.

De atmosfeer van HR 8799e is niet alleen convectief, er drijven waarschijnlijk ook wolken in. „Om het waargenomen spectrum te kunnen verklaren, moeten we aan onze modellen ook wolken van silicaten en ijzer toevoegen”, mailt astronoom Paul Mollière van de Sterrewacht Leiden, een van de 88 auteurs van het in Astronomy & Astrophysics gepubliceerde onderzoeksverslag. „De locaties in de atmosfeer waar de modellen deze wolken plaatsen, worden bepaald door de chemische condensatieomstandigheden voor ijzer en silicaten.”

Lees ook: Op bezoek bij de Very Large Telescope in Chili, een telescoop met James Bond-allure

De aldus ontstane wolken hebben een beperkte levensduur. „De opstijgende luchtstromen transporteren moleculen (met name koolstofmonoxide) van diepere lagen naar de bovenste regionen van de atmosfeer en zijn derhalve ook van invloed op de wolken”, aldus Mollière. Dat leidt ertoe dat de wolken op een gegeven moment oplossen en de deeltjes als een soort regen weer omlaag vallen.

Al met al vertoont de atmosfeer van HR 8799e sterke overeenkomsten met die van bruine dwergen – sterren die te weinig massa hebben om langdurige fusiereacties gaande te houden. Ook bij een aantal van deze ‘halfbakken’ sterren zijn wolken waargenomen.

Moederster

Met behulp van de metingen door GRAVITY is ook de positie van de planeet ten opzichte van zijn moederster nauwkeurig gemeten. De analyse van het spectrum van de exoplaneet laat zien dat deze 17 procent groter is dan Jupiter, de grootste planeet van ons zonnestelsel. Tegelijkertijd is zijn massa ongeveer tien keer zo groot. Daarmee behoort HR 8799e tot de ‘super-Jupiters’ – grote gasplaneten die dermate veel massa hebben dat ze door hun eigen zwaartekracht relatief klein worden gehouden.

HR 8799e is de binnenste van vier planeten die om een 129 lichtjaar verre ster in het sterrenbeeld Pegasus draaien. Zowel de ster als haar planeten zijn ruwweg 30 miljoen jaar oud. Daarbij vergeleken is ons eigen zonnestelsel – leeftijd 4,5 miljard jaar – stokoud.

Naast Paul Mollière waren ook de Leidse astronomen Ewine van Dishoeck en Tim de Zeeuw bij dit onderzoek betrokken.