Een nieuw onderzoek door NASA's James Webb Space Telescope van K2-18b, een exoplaneet met een massa van 8,6 keer de massa van de aarde, heeft de aanwezigheid ontdekt van koolstofhoudende moleculen, waaronder methaan en koolstofdioxide. De ontdekking van Webb draagt bij aan recente onderzoeken die suggereren dat K2-18b mogelijk een 'oceanische' exoplaneet is, die mogelijk een waterstofrijke atmosfeer heeft en een oppervlak bedekt door een wateroceaan.
Waarnemingen met NASA's Hubble-ruimtetelescoop hebben voor het eerst de atmosferische eigenschappen van deze exoplaneet in de bewoonbare zone onthuld, en verdere studies hebben ons begrip van het systeem veranderd.
K2-18b draait in een baan om de koude dwergster K2-18 in de bewoonbare zone, 120 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Leeuw. Exoplaneten zoals K2-18b bevinden zich qua grootte tussen de aarde en Neptunus en zijn anders dan welke planeet in het zonnestelsel dan ook. Omdat er geen vergelijkbare planeten in de buurt zijn, is er weinig bekend over deze ‘sub-Neptunussen’, en astronomen debatteren over de aard van hun atmosfeer.
Het idee dat sub-Neptunus K2-18b een water-oceaan-exoplaneet zou kunnen zijn, is merkwaardig omdat sommige astronomen geloven dat deze werelden ideale omgevingen zijn voor het zoeken naar bewijs van exoplanetair leven.
Niku Madhusudan, astronoom aan de Universiteit van Cambridge en hoofdauteur van het artikel waarin deze resultaten worden aangekondigd, legt uit: ‘Onze bevindingen benadrukken het belang van het overwegen van een verscheidenheid aan bewoonbare omgevingen bij het zoeken naar leven elders. Traditioneel concentreerde de zoektocht naar leven op exoplaneten zich op kleinere, rotsachtige planeten, maar de grotere Neptunus-wereld leent zich duidelijk beter voor atmosferische waarnemingen.’
Methaan en koolstofdioxide zijn er in overvloed, maar ammoniak is schaars, wat de hypothese ondersteunt dat er onder de waterstofrijke atmosfeer van K2-18b een wateroceaan zou kunnen bestaan. Op aarde produceert alleen het leven deze stof. Het meeste DMS in de atmosfeer van de aarde wordt vrijgegeven door fytoplankton in het mariene milieu.
De gevolgtrekking van DMS is minder betrouwbaar en moet verder worden geverifieerd. "Aankomende Webb-waarnemingen zouden moeten kunnen bevestigen of er inderdaad aanzienlijke hoeveelheden DMS aanwezig zijn in de atmosfeer van K2-18b", legt Madhusudhan uit.
Hoewel K2-18b zich in de bewoonbare zone bevindt en het nu bekend is dat het koolstofhoudende moleculen herbergt, betekent dit niet noodzakelijkerwijs dat de planeet in staat is leven te ondersteunen. De grote omvang van de planeet, met een straal die 2,6 keer groter is dan die van de aarde, betekent dat het binnenste van de planeet waarschijnlijk een grote hogedruk-ijsmantel bevat, zoals Neptunus, maar met een dunnere waterstofrijke atmosfeer en een dunner oceaanoppervlak. Er wordt voorspeld dat Sea World oceanen met water zal hebben. Het is echter ook mogelijk dat de oceaan te heet is om bewoonbaar te zijn, of dat hij vloeibaar is.
Subhajit Sarkar van de Universiteit van Cardiff legt uit: ‘Hoewel dergelijke planeten niet voorkomen in het zonnestelsel, zijn sub-Neptunussen veruit het meest voorkomende planeettype in de Melkweg. We hebben de meest gedetailleerde spectra tot nu toe verkregen van een bewoonbare zone onder Neptunus, waardoor we de moleculen in de atmosfeer kunnen berekenen.’
Het karakteriseren van de atmosfeer van exoplaneten zoals K2-18b - dat wil zeggen het bepalen van hun gasvormige en fysieke omstandigheden - is een zeer actief gebied van de astronomie. Deze planeten worden echter overschaduwd door de schittering van hun veel grotere moedersterren, wat het verkennen van de atmosfeer van exoplaneten bijzonder uitdagend maakt.
Het team heeft deze uitdaging omzeild door het licht te analyseren dat wordt uitgezonden door de moederster van K2-18b terwijl deze door de atmosfeer van de exoplaneet trekt. K2-18b is een transiterende exoplaneet, wat betekent dat we een dip in helderheid kunnen detecteren wanneer hij over het oppervlak van zijn moederster beweegt. Dit is hoe NASA's K2-missie deze exoplaneet voor het eerst ontdekte in 2015. Dit betekent dat tijdens de transit een klein deel van het sterrenlicht door de atmosfeer van de exoplaneet gaat en een telescoop zoals de Webb-telescoop bereikt. Sterlicht laat sporen achter als het door de atmosfeer van een exoplaneet gaat, en astronomen kunnen deze sporen samenvoegen om de gassen in de atmosfeer van de exoplaneet te bepalen.
James Webber's capaciteiten en toekomstig onderzoek
“Dit resultaat was mogelijk dankzij het uitgebreide golflengtebereik en de ongekende gevoeligheid van de Webb-telescoop, die een krachtige detectie van spectrale kenmerken in slechts twee transits mogelijk maakten”, aldus Madhusudan. ‘Ter vergelijking: één transitwaarneming met Webb was even nauwkeurig als acht waarnemingen (gedurende meerdere jaren) met Hubble over een relatief smal golflengtebereik.
Savvas Constantinou van de Universiteit van Cambridge legt uit: ‘Deze resultaten zijn het resultaat van slechts twee waarnemingen van K2-18b, en er komen er nog veel meer. Dit betekent dat ons werk hier slechts een vroege demonstratie is van de exoplaneten in de bewoonbare zone die Webb kan waarnemen.’
De bevindingen van het team zijn geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal Letters.
Het team is nu van plan vervolgstudies uit te voeren met behulp van de Mid-Infrared Spectrometer (MIRI) van de telescoop, waarvan ze hopen dat deze hun bevindingen verder zal valideren en nieuwe inzichten zal opleveren in de omgevingsomstandigheden van K2-18b.
“Ons uiteindelijke doel is het ontdekken van leven op bewoonbare exoplaneten, wat ons begrip van onze plaats in het universum zal veranderen,” concludeerde Madhusudan. "Onze bevindingen tijdens deze verkenning zijn een veelbelovende stap in de richting van een dieper begrip van de Mercurius-wereld."
De James Webb-ruimtetelescoop van NASA is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Het ontrafelt de mysteries van het zonnestelsel, kijkt naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuur en oorsprong van het universum en onze plaats daarin. De Webb-telescoop is een internationaal programma onder leiding van NASA met partners als de European Space Agency (ESA) en de Canadian Space Agency.