NASA’s James Webb-ruimtetelescoop heeft een gigantische exoplaneet geïdentificeerd die verborgen was in een van de meest bestudeerde planetenstelsels in de Melkweg. Deze ontdekking benadrukt het potentieel van nieuwe observatietechnieken die de atmosferische chemie van hemellichamen onderzoeken.
Er werd al erkend dat de jonge ster Beta Pictoris, die relatief dicht bij de aarde staat, twee enorme planeten herbergt, Beta Pictoris b en Beta Pictoris c. De planeet Beta Pictoris b was een van de eersten die rechtstreeks op beeld werd vastgelegd. Met de recente bevestiging van Beta Pictoris d heeft het systeem nu drie bekende planeten, waardoor het pas de tweede is met ten minste drie gefotografeerde planeten.
Astronomen ontdekten Beta Pictoris d aanvankelijk echter niet als een zichtbaar lichtpuntje. Identificatie vond plaats via de unieke chemische signatuur van zijn atmosfeer. Wetenschappers wijzen erop dat deze methodologie een innovatieve en effectieve aanpak zou kunnen zijn voor het vinden van planeten rond andere sterren, vooral op plaatsen waar de aanwezigheid van stof en puin het moeilijk maakt om traditionele beelden vast te leggen.
“Deze ontdekking voegt een nieuw stuk toe aan een toch al fascinerend planetenstelsel”, zegt Aidan Gibbs, hoofdauteur van een nieuwe studie gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters en een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, San Diego. Hij voegde eraan toe dat “Beta Pictoris een laboratorium is geweest om te begrijpen hoe planetaire systemen zich vormen en evolueren, en nu hebben we een andere planeet die ons helpt dat verhaal te vertellen.”
Hoe het jonge planetenstelsel Beta Pictoris eruit ziet
Het Beta Pictoris-systeem bevindt zich op ongeveer 63 lichtjaar van de aarde, met een geschatte leeftijd van ongeveer 23 miljoen jaar. Hun relatieve jeugd en nabijheid bieden astronomen een unieke kans om de interactie tussen de nieuw gevormde planeten en de omringende schijf van stof en puin te observeren die overblijft na de vorming van het systeem.
De onderzoekers berekenen dat Beta Pictoris d een massa heeft die minstens tweemaal zo groot is als die van Jupiter. Toch lijkt het de kleinste van de drie geïdentificeerde reuzenplaneten te zijn die om de ster draaien.
Computermodellen suggereren dat de planeet in een baan rond Beta Pictoris draait op een afstand van ongeveer 30 astronomische eenheden. Deze positie plaatst hem in een gebied dat vergelijkbaar is met dat van Neptunus in ons zonnestelsel. Van de drie bekende planeten in het systeem heeft Bèta Pictoris d de breedste baan, hoewel hij zich nog steeds binnen de binnengrens van de puinschijf bevindt.
Kans op de ontdekking van de nieuwe planeet
Het onderzoeksteam gebruikte de Webb-telescoop niet met de bedoeling een nieuwe planeet te vinden. Beta Pictoris d ontstond onverwachts terwijl astronomen de atmosfeer van Beta Pictoris b analyseerden met behulp van Webb’s Near Infrared Spectrograph (NIRSpec).
De wetenschappers gebruikten de NIRSpec Integral Field Unit, een apparaat dat voor elke pixel zowel een beeld als een spectrum registreert. Een spectrum verdeelt licht in de samenstellende golflengten, waardoor astronomen de chemische samenstelling en beweging van verre hemellichamen kunnen onderzoeken.
“We waren niet op zoek naar een nieuwe planeet”, zei Gibbs. Hij voegde eraan toe dat “we iets probeerden te begrijpen dat al bestond. Toen verscheen dit veelbetekenende teken in de gegevens waar we het niet hadden verwacht.”
In plaats van een vloeiend spectrum dat wordt gegenereerd door licht dat door het stof wordt weerkaatst, vonden de onderzoekers een patroon van pieken en dalen. Het signaal bevatte koolmonoxide-absorptielijnen die in een streepjescodeachtige volgorde waren gerangschikt, een kenmerk dat te verwachten is in de atmosfeer van gigantische planeten.
Spectroscopie stelde het team ook in staat de radiale snelheid van het object te meten, die de beweging naar of van de waarnemer beschrijft. De snelheid, locatie en uitlijning met de puinschijf kwamen overeen met de wetenschappelijke verwachtingen voor een planeet in een baan om Beta Pictoris.
Deze metingen waren cruciaal bij het uitsluiten van andere hypothesen, zoals een verre achtergrondster of een bruine dwerg die ook koolmonoxide in de atmosfeer had.
De chemische test die de verborgen wereld bevestigde
“Er was een onverwachte heldere lichtbron in de beelden van de Integral Field Unit, maar we hebben geleerd heldere plekken in de beelden niet te vertrouwen”, zegt Jean-Baptiste Ruffio, wetenschappelijk onderzoeker aan de Universiteit van Californië, San Diego, en hoofdonderzoeker bij de eerste Webb-waarnemingen waarbij de ontdekking werd gedaan. Hij voegde eraan toe dat “het instrumentele artefacten of andere structuren in de puinschijf zouden kunnen zijn. Door gelijktijdig met het beeld een spectrum te verkrijgen, konden we onze vermoedens snel bevestigen.”
Meer over dit onderwerp: Ruimtetelescoop onthult donkere superaarde zonder atmosfeer op 48 lichtjaar afstand
Astronomen voerden later aanvullende waarnemingen uit met Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) via een discretionair tijdverzoek van de directeur. Deze analyses ontdekten waterdamp en methaan, wat verder bewijs leverde dat het object een planeet was en details over zijn atmosfeer onthulde.
Deze methode gaf onderzoekers een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele beeldvormingstechnieken. Vanaf de eerste waarneming konden ze niet alleen vaststellen dat het object een planeet was, maar ook beginnen met onderzoek naar de atmosferische chemie en fysische eigenschappen ervan.
“Een spectrum bevat een ongelooflijke hoeveelheid informatie”, zei Ruffio. Hij legde uit dat “je niet zomaar ontdekt dat iets een planeet is; je begint meteen te leren over de temperatuur, chemie en beweging ervan.”
Een onafhankelijk beeldvormend onderzoek bevestigde ook de bevinding. Dit werk werd geleid door Ben Sutlieff van de Universiteit van Edinburgh en Markus Bonse van de European Southern Observatory. Met behulp van gegevens van de Very Large Telescope van de European Southern Observatory en de NIRCam (Near Infrared Camera) van Webb bevestigden onderzoekers onafhankelijk het bestaan van Beta Pictoris d.
Over hetzelfde thema: Zeldzame komeet uit de Oortwolk passeert de aarde met observatie mogelijk
Hoe je een planeet in de kosmische mist lokaliseert
Beta Pictoris d is al jaren aan detectie ontsnapt omdat hij is ingebed in een van de helderste puinschijven die ooit door astronomen zijn waargenomen.
Het stof in de schijf verstrooit het licht van de centrale ster, waardoor een effect ontstaat dat vergelijkbaar is met dat van mist. Deze buitensporige helderheid bemoeilijkt het gebruik van conventionele beeldvormingsmethoden om een planeet te onderscheiden van nabijgelegen stofstructuren en andere lichtbronnen.
Dankzij de spectroscopische methode van Webb konden onderzoekers veel van deze verwarring overwinnen. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op de zichtbare helderheid van de planeet, hebben wetenschappers specifieke moleculaire signalen geïsoleerd die kenmerkend zijn voor een planetaire atmosfeer.
De aanwezigheid van Beta Pictoris d kan astronomen ook helpen het ongewone uiterlijk van de puinschijf van het systeem te begrijpen. De schijf heeft een goed gedefinieerde interne grens, naast verschillende andere structuren die moeilijk te verklaren zijn.
Astronomen hadden eerder gesuggereerd dat een nog niet ontdekte planeet, vergelijkbaar met Beta Pictoris d, de schijf zou kunnen vormgeven en aanleiding zou kunnen geven tot enkele van deze kenmerken. Hun ontdekking biedt onderzoekers nu een mogelijke verklaring voor de unieke architectuur van de schijf.
Een veelbelovende nieuwe methode voor het zoeken naar exoplaneten
De ontdekking doet meer dan alleen een nieuwe wereld toevoegen aan het Beta Pictoris-systeem. Het demonstreert een nieuwe strategie voor het detecteren van exoplaneten in complexe, met stof gevulde omgevingen.
Beta Pictoris d is de eerste planeet die is vastgelegd door directe beeldvorming en werd voornamelijk ontdekt door middel van spectroscopie met gematigde resolutie. Het resultaat laat zien dat astronomen werelden kunnen lokaliseren door de moleculaire ‘vingerafdrukken’ van hun atmosfeer te identificeren, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op traditionele coronagrafische beeldvorming.
Dit vermogen zou bijzonder waardevol kunnen zijn wanneer planeten verborgen zijn door lichtgevende puinschijven of andere structuren waardoor ze moeilijk te onderscheiden zijn in gewone telescopische beelden.
Meer over dit onderwerp: Astronomen detecteren atmosfeer op een ijskoud object voorbij Neptunus
De onderzoekers zijn van plan de Webb-waarnemingen te blijven analyseren om de schattingen van de temperatuur, de atmosferische samenstelling en de baan van Beta Pictoris d te verbeteren. Dergelijke studies zouden een nog dieper inzicht kunnen bieden in een van de bekendste planetenstelsels buiten het onze.
De Webb-telescoop en zijn uitgebreide zicht op verre werelden
De James Webb-ruimtetelescoop is ‘s werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb ontrafelt mysteries in ons zonnestelsel, onderzoekt verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de raadselachtige structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA, in samenwerking met ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency).