Het gaat om de atmosfeer van de ‘hete Saturnus’ WASP-39 b, een planeet die ongeveer even zwaar is als Saturnus en rond een ster draait op zo'n 700 lichtjaar afstand van de aarde. Terwijl Webb en andere ruimtetelescopen, waaronder Hubble en Spitzer, eerder al geïsoleerde ingrediënten van de atmosfeer van deze hete planeet hebben onthuld, bieden de nieuwe metingen met de zeer gevoelige instrumenten op Webb een volledige inventaris van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken. De nieuwste data geven ook een idee van hoe deze wolken er van dichtbij uitzien: gebroken in plaats van een enkele, egale deken over de planeet.
"We hebben de exoplaneet waargenomen met meerdere instrumenten die samen een brede strook van het infraroodspectrum en een groot aantal chemische vingerafdrukken opleveren die tot de komst van Webb ontoegankelijk waren," zegt onderzoekscoördinator Natalie Batalha, astronoom aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz, Californië, VS. UvA-astronoom Jean-Michel Desert, lid van de Science Council van deze eerste resultaten, voegt daaraan toe: “Dit gaat het onderzoeksgebied van exoplaneten totaal veranderen. We kunnen nu als nooit tevoren op ondubbelzinnige en uitgebreide wijze de spectrale vingerafdrukken van de chemische samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten waarnemen."
Een van de bijzondere vondsten is de eerste waarneming in de atmosfeer van een exoplaneet van zwaveldioxide, een molecuul dat wordt geproduceerd door chemische reacties die in gang worden gezet door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op aarde wordt de beschermende ozonlaag in de bovenste atmosfeer op soortgelijke wijze gevormd. De Leidse astronoom Yamila Miguel, die modellen maakte van de atmosfeer van WASP-39 b, inclusief de fotochemie die is gebruikt om de oorsprong van zwaveldioxide te verklaren, ziet JWST als een keerpunt in haar vakgebied: "Dit is de eerste keer dat we concreet bewijs zien van fotochemie - chemische reacties die in gang worden gezet door energetisch sterlicht - op exoplaneten.” Dit leidde tot een andere primeur: wetenschappers pasten computermodellen van fotochemie toe op gegevens die een dergelijk hoger niveau van fysica vereisen om volledig te kunnen worden verklaard. Deze verbeterde modellen zullen helpen de technologische kennis op te bouwen om in de toekomst mogelijke tekenen van leven te kunnen interpreteren.
De James Webb Space Telescope identificeerde voor het eerst zwaveldioxide in de atmosfeer van een exoplaneet. De aanwezigheid ervan kan alleen worden verklaard door fotochemie - chemische reacties die in gang worden gezet door hoogenergetische sterlichtdeeltjes. Credit: NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Center for Astrophysics-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss
WASP-39 b heeft een geschatte temperatuur van 900 graden Celsius en een atmosfeer die voornamelijk uit waterstof bestaat. Op de exoplaneet zal zo goed als zeker geen leven kunnen voorkomen. Maar de nieuwe resultaten kunnen wel richting geven aan bewijs voor potentieel leven op andere exoplaneten, zoals die van de kleinere, rotsachtige planeten in het TRAPPIST-1-systeem.
De nabijheid van de planeet bij zijn ster – de planeet staat acht keer dichter bij zijn ster dan Mercurius bij onze zon - maakt hem tot een laboratorium om de effecten van straling van sterren op exoplaneten te bestuderen. Een betere kennis van het verband tussen ster en planeet moet leiden tot een beter begrip van de diversiteit aan planeten in onze Melkweg.
Andere door de Webb-telescoop ontdekte bestanddelen in de atmosfeer zijn natrium, kalium en waterdamp, waarmee eerdere waarnemingen van telescopen in de ruimte en op de grond worden bevestigd. Ook zijn aanvullende signalen van water op langere golflengten gevonden die nog niet eerder waren waargenomen. Webb zag ook kooldioxide met een hogere resolutie en dat leverde twee keer zoveel gegevens op als bij eerdere waarnemingen. Terwijl er ook koolmonoxide is waargenomen, ontbreken in de Webb-gegevens duidelijke tekenen van zowel methaan als waterstofsulfide.
Het vastleggen van zo'n breed spectrum van de atmosfeer van WASP-39 b was een wetenschappelijke krachttoer: een internationaal team van honderden mensen analyseerde onafhankelijk van elkaar de gegevens van de instrumenten op de Webb-telescoop. Webb bekijkt het heelal in infrarood licht, voorbij het gebied in het elektromagnetisch spectrum wat het menselijk oog kan waarnemen. Daardoor kan de telescoop chemische vingerafdrukken oppikken die in zichtbaar licht niet kunnen worden gedetecteerd. De drie gebruikte instrumenten zijn NIRSpec, NIRCam en NIRISS.
Om het licht van WASP-39 b te zien, volgde Webb de planeet terwijl hij voor zijn ster langsging, waardoor een deel van het licht van de ster door de atmosfeer van de planeet werd gefilterd. Verschillende soorten moleculen in de atmosfeer absorberen verschillende kleuren van het sterlichtspectrum, dus de kleuren die ontbreken vertellen astronomen welke moleculen aanwezig zijn.
Met de nu ontdekte complete inventaris aan chemische ingrediënten krijgen wetenschappers ook een kijkje in de overvloed van verschillende elementen in relatie tot elkaar, zoals de koolstof-zuurstof- of kalium-zuurstofverhouding. Dat geeft weer inzicht in hoe deze planeet in zijn jonge jaren is ontstaan uit de gas- en stofschijf rond zijn moederster. De chemische inventaris van WASP-39 b wijst op een geschiedenis van botsen en samenklitten van kleinere brokken, zogeheten planetesimalen, die uiteindelijk een gigantische planeet hebben gecreëerd. De overvloed aan zwavel ten opzichte van waterstof wijst erop dat de planeet vermoedelijk een aanzienlijke aangroei van planetesimalen heeft doorgemaakt die deze ingrediënten aan de atmosfeer hebben kunnen leveren. Zuurstof is ook veel overvloediger aanwezig in de atmosfeer dan koolstof. Dit wijst er mogelijk op dat WASP-39 b oorspronkelijk ver van de centrale ster is gevormd.
Andere in Nederland werkzame coauteurs zijn Hinna Shivkumar en Saugata Barat van de Universiteit van Amsterdam en Amy Louca van de Sterrewacht Leiden. Amy Louca: “Het was fantastisch om als PhD-student met deze gegevens te werken en in de modellen signaturen van bijvoorbeeld kooldioxide en zwaveldioxide te kunnen reproduceren. Het heeft ons laten zien dat er zoveel verschillende aspecten zijn aan exoplaneten. We zijn nu eindelijk in staat om de kleinere puzzelstukjes in elkaar te passen."
Preprints van de wetenschappelijke artikelen:
Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec G395H (Alderson et al.)
Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM (Rustamkulov et al.)
Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRCam (Ahrer et al.)
Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRISS (Feinstein et al.)
Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere (Tsai et al.)