Met behulp van de James Webb Space Telescope (JWST) ontdekten onderzoekers van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) een ongekende "rare planeet": PSR J2322-2650b. Het draait niet alleen om een ​​pulsar, maar heeft ook een bijna ‘pure koolstof’-atmosfeer en een materiaalstructuur die intern tot diamanten kan kristalliseren. Het wordt beschreven als "een volkomen onverwacht planeettype."

De James Webb-telescoop is momenteel de krachtigste infraroodruimtetelescoop ter wereld. Het werd gezamenlijk ontwikkeld door NASA, de European Space Agency en de Canadian Space Agency. Het bestudeert voornamelijk koelere planeten, diffuse stoffige gebieden en extreem verre sterrenstelsels door de infraroodband te observeren. Deze doelen zijn vaak moeilijk direct waar te nemen met gewone optische telescopen. Bij deze waarneming richtte de Webb-telescoop zich op een exoplaneet genaamd PSR J2322-2650b, die ongeveer dezelfde massa heeft als Jupiter, maar rond een pulsar draait, wat uiterst zeldzaam is in bekende planetaire systemen.

De zogenaamde pulsar is een soort snel roterende neutronenster. Het is de dichte kern die overblijft na de supernova-explosie van een massieve ster. Het kan qua massa groter zijn dan de zon, maar slechts zo groot als een stad. Pulsars zenden bundels elektromagnetische straling uit in de richting van hun magnetische polen. Terwijl ze roteren, vegen deze stralingsbundels als een vuurtoren door de lucht, waardoor periodieke pulssignalen in waarnemingen zichtbaar worden. Momenteel zijn er slechts een handvol planeten ontdekt die bekend zijn bij de astronomische gemeenschap en die in een baan rond pulsars draaien, en PSR J2322-2650b is qua samenstelling en structuur compleet anders dan soortgelijke eerder geregistreerde doelen.

Observatieresultaten laten zien dat de atmosfeer van de planeet voornamelijk bestaat uit helium en koolstof, in plaats van water, methaan en andere moleculen die gebruikelijk zijn in de meeste exoplaneten. Het wetenschappelijke onderzoeksteam heeft moleculaire koolstof in het atmosferische spectrum gedetecteerd, vooral C₂ en C₃. Dit type moleculen bestaande uit direct gebonden koolstofatomen is uiterst zeldzaam in planetaire atmosferen, omdat koolstof gewoonlijk de voorkeur geeft aan combinatie met zuurstof of waterstof om verbindingen zoals koolstofdioxide of methaan te vormen. Onderzoekers wezen erop dat de atmosferische koolstof-zuurstofverhouding van de planeet groter is dan 100, en dat de koolstof-stikstofverhouding zelfs hoger is dan 10.000, wat veel hoger is dan de meeste bekende exoplaneten, wat betekent dat de atmosfeer bijna kan worden beschouwd als een ‘zeer koolstofrijke omgeving’.

Peter Gao, een wetenschapper van het Carnegie Earth and Planetary Laboratory die aan het onderzoek deelnam, zei dat toen het team de gegevens voor de eerste keer zag, ze "hun ogen nauwelijks konden geloven" en klaagden dat "dit niet het soort planetaire atmosfeer is dat we helemaal hadden verwacht." Michael Zhang van de Universiteit van Chicago wees erop dat de pulsar waar de planeet omheen draait op zichzelf buitengewoon bijzonder is - "dicht bij de massa van de zon, maar slechts zo groot als een stad", en het type atmosfeer van PSR J2322-2650b "is een nieuwe categorie die nog nooit eerder is gezien."

Onder extreme omstandigheden van temperatuur en druk krijgt de planeet een nog bizarder uiterlijk. Uit onderzoek blijkt dat er een enorm temperatuurverschil is tussen dag en nacht: de temperatuur aan de nachtzijde bedraagt ​​ongeveer 1200 graden Fahrenheit (zo’n 650 graden Celsius), en de temperatuur aan de dagzijde loopt op tot zo’n 3700 graden Fahrenheit (zo’n 2000 graden Celsius). In een dergelijke omgeving zweven er roetachtige koolstofstofwolken in de atmosfeer. Onderzoekers speculeren dat deze koolstofstofwolken onder de enorme druk binnen de planeet geleidelijk kunnen transformeren in kristalstructuren zoals diamanten, en dat het kristallisatieproces van koolstof diep in de planeet plaatsvindt.

Roger Romani van Stanford University legde uit dat naarmate de begeleidende ster afkoelt, het koolstof-zuurstofmengsel erin begint te kristalliseren, en dat zuivere koolstofkristallen naar de bovenste lagen 'zweven' en zich vermengen met helium, wat de bron is van de atmosferische kenmerken die je in observaties ziet. Hij wees er ook op dat het nog steeds een groot mysterie is om te verklaren waarom zuurstof en stikstof van dit proces worden uitgesloten. “Er moet een sleutelmechanisme zijn om ze ‘opzij te zetten’. Dit is een probleem dat nog niet is opgelost.”

Ook vanuit het perspectief van spooropbouw draagt ​​dit systeem het label ‘extreem’. PSR J2322-2650b is slechts ongeveer 1 miljoen mijl verwijderd van zijn pulsar. Ter vergelijking: de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon bedraagt ​​ongeveer 160 miljoen kilometer, wat honderd keer zo groot is. In zo'n krappe baan heeft de planeet slechts ongeveer 7,8 uur nodig om één omwenteling (het jaar) te voltooien, wat veel korter is dan een aards jaar.

Sterke zwaartekrachtgetijdeneffecten zorgen ervoor dat de planeet in een citroenachtige vorm wordt "getrokken" in plaats van in een geschatte bol. Zwaartekracht is de basiskracht die ervoor zorgt dat objecten met massa elkaar aantrekken. Wanneer een dicht hemellichaam zich heel dicht bij zijn begeleidende ster bevindt en een enorm verschil in massa heeft, zal de getijdenkracht een aanzienlijk spanningsverschil veroorzaken binnen de begeleidende ster, wat leidt tot algemene vervorming. Dit fenomeen is vooral duidelijk in PSR J2322-2650b.

Het wetenschappelijke onderzoeksteam gelooft dat dit systeem op de een of andere manier verband houdt met het zogenaamde ‘zwarte weduwe’-systeem in de astronomie. "Black Widow"-systemen bestaan ​​gewoonlijk uit een pulsar en een nabije begeleidende ster. De pulsar ‘kannibaliseert’ voortdurend het materiaal van de begeleidende ster door middel van intense straling en hoogenergetische deeltjesstromen, en uiteindelijk kan er alleen een zeer dichte overblijfselkern overblijven. Bij deze ontdekking heeft PSR J2322-2650b echter een massa van minder dan 13 Jupitermassa's, dus hij wordt officieel geclassificeerd als een exoplaneet en niet als een 'metgezel' in de zin van stellair puin.

Wat het vormingsmechanisme betreft, is het ook moeilijk om bestaande theoretische modellen op deze planeet toe te passen. Zhang wees erop dat dit hemellichaam, afgaande op de momenteel waargenomen samenstelling, duidelijk niet wordt gevormd door geleidelijk gas en stof rond een jonge ster te verzamelen in de protoplanetaire schijf, zoals een 'gewone planeet', omdat de atmosferische chemische samenstelling totaal anders is dan die van gewone planeten. Tegelijkertijd zijn er problemen bij het behandelen ervan als de overblijfselkern van een ster die is blootgelegd in het ‘Black Widow’-systeem, omdat de bestaande kernfysische processen de vorming van bijna ‘pure koolstof’-objecten niet ondersteunen, wat betekent dat ons begrip van de oorsprong ervan nog steeds zeer voorlopig is.

Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij het scherpe zicht van de Webb-telescoop in de infraroodband. Infraroodlicht kan stofwolken in het universum binnendringen en astronomen helpen koelere en donkerdere doelen te observeren. De pulsar zelf zendt voornamelijk gammastraling en hoogenergetische deeltjes uit. Deze straling valt buiten de werkband van Webb en zal daarom de infraroodspectroscopische metingen van planetaire atmosferen niet verstoren.

Door de spectrale vingerafdruk van een planeet op verschillende golflengten te analyseren, kunnen wetenschappers afleiden welke atomen en moleculen in de atmosfeer aanwezig zijn en belangrijke parameters zoals temperatuur, chemische samenstelling en drukstructuur verder inschatten. Maya Beleznay van Stanford University wees erop dat onderzoekers in dit systeem "alleen het spectrum van de planeet kunnen zien dat wordt verlicht door de pulsar, en bijna nooit rechtstreeks de pulsar zelf kunnen zien." Dit biedt zeldzame omstandigheden voor het verkrijgen van schone en heldere spectrale signalen, waardoor dit systeem unieke voordelen biedt bij het onderzoek naar exoplaneten.

Het totale aantal bevestigde exoplaneten bedraagt ​​ongeveer 6.000. Van dit grote monster is PSR J2322-2650b het enige doelwit dat zo'n bijzondere combinatie vormt tussen de orbitale kenmerken van een "hete Jupiter" en de eigenschappen van een "pulsar-metgezel". De ongewone koolstofrijke atmosfeer, de extreme chemische samenstelling, de citroenvormige vorm die wordt uitgerekt door de zwaartekracht en de ongewoon compacte dynamische structuur vormen samen een ongekend planetair voorbeeld, dat nieuwe vragen oproept over hoe planeten zich vormen, evolueren en zelfs overleven in extreme kosmische omgevingen. Het opent ook nieuwe observatierichtingen voor toekomstige planetaire wetenschap en hoogenergetisch astrofysica-onderzoek.