De laatste waarnemingen van NASA's James Webb Space Telescope (JWST) tonen het bestaan ​​aan van vreemde wolken bestaande uit zout rond een exoplaneet met de bijnaam 'Roze Planeet', wat direct bewijs levert voor de atmosferische structuur van een van de koudste planeetachtige metgezellen in het universum en een mysterie oplost dat de astronomische gemeenschap al meer dan tien jaar in verwarring brengt. Het relevante onderzoek werd geleid door Northwestern University en op 18 juni gepubliceerd in het Astronomical Journal.

De ‘roze planeet’, officieel GJ 504 b genoemd, werd voor het eerst ontdekt in 2013 en draait rond een zonachtige ster op ongeveer 57 lichtjaar van de aarde. Ondanks de bijnaam 'planeet' weten wetenschappers niet helemaal zeker of hij als een echte planeet moet worden geclassificeerd - met een massa van ongeveer 25 keer de massa van Jupiter ligt hij dicht bij de scheidslijn tussen reuzenplaneten en bruine dwergen, dus onderzoekers noemen hem voorzichtiger een 'planetaire massagenoot', een planeetachtig object dat in een baan om een ​​ster draait.

GJ 504 b is lange tijd moeilijk te bestuderen geweest vanwege de extreem lage temperatuur en zwakke helderheid. De meeste exoplaneten die tot nu toe rechtstreeks in beeld zijn gebracht, hebben temperaturen van ongeveer 1.000 tot 2.000 graden Fahrenheit (ongeveer 538 tot 1.093 graden Celsius), terwijl GJ 504 b slechts ongeveer 550 graden Fahrenheit (ongeveer 290 graden Celsius) is, ongeveer dezelfde temperatuur als brood bakken in een oven. Het onderzoeksteam analyseerde dat deze relatief ‘koude’ toestand een weerspiegeling is van zijn zeer hoge leeftijd: gigantische planeten zijn extreem heet wanneer ze worden geboren, maar koelen geleidelijk af over miljarden jaren. De leeftijd van GJ 504 b wordt geschat op tussen de 2,5 miljard en 4 miljard jaar.

Aneesh Baburaj, een postdoctoraal onderzoeker aan het Centre for Astrophysics (CIERA) van de Northwestern University die het onderzoek leidde, wees erop dat "de roze planeet het koudste begeleidende sterobject is dat is ontdekt met behulp van instrumenten op de grond." De afgelopen tien jaar hebben veel teams geprobeerd de grootste telescopen op de grond ter wereld te gebruiken om vervolgwaarnemingen uit te voeren om atmosferische spectra te verkrijgen, maar dat is allemaal mislukt omdat de doelen te zwak zijn. Ter vergelijking: de James Webb-ruimtetelescoop, met zijn zeer gevoelige infraroodobservatiemogelijkheden, was in staat om met succes het atmosferische spectrum van deze begeleidende ster te scheiden in ongeveer twee uur observatie, en werd een belangrijk nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van dergelijke "koude, donkere werelden".

Bij deze waarneming gebruikten de onderzoekers JWST om contrastrijke beelden van de hoofdster en zijn begeleidende ster te maken, en gebruikten ze geavanceerde gegevensverwerkingsmethoden om de sterke schittering van de moederster te elimineren, en haalden ze uiteindelijk het spectrale signaal eruit dat door de begeleidende ster zelf werd uitgezonden. Door licht in verschillende golflengten op te splitsen, kunnen wetenschappers de chemische ‘vingerafdrukken’ in de atmosfeer analyseren om daaruit de soorten elementen en moleculen af ​​te leiden die daarin aanwezig zijn. Nadat ze met succes het spectrum hadden verkregen, realiseerde het team zich al snel dat de atmosferische kenmerken van de "roze planeet" "heel anders waren dan alles wat eerder werd geanalyseerd", zei Baburaj.

Resultaten van spectrale analyse tonen aan dat de atmosfeer van GJ 504 b waterdamp, methaan, kooldioxide, ammoniak en een verscheidenheid aan andere moleculaire componenten bevat. Toen het onderzoeksteam deze waarnemingen echter vergeleek met bestaande atmosferische modellen, konden ze aanvankelijk nauwelijks de gegevens matchen toen onrealistische extreme omstandigheden werden geïntroduceerd, die duidelijk in tegenspraak waren met het gezond verstand in de natuurkunde. De echte doorbraak kwam nadat wetenschappers wolken aan hun simulaties begonnen toe te voegen: toen verschillende soorten wolken in het model werden geïntroduceerd en hun effecten op het spectrum één voor één werden getest, kwam het zoutwolkenmodel veel beter overeen met de gemeten gegevens dan andere opties.

De studie wijst erop dat deze zoutwolken mogelijk de diepere lagen van de atmosfeer van de planeet hebben verduisterd, waardoor de spectrale signalen die uiteindelijk door JWST worden gedetecteerd voornamelijk afkomstig zijn uit gebieden boven of dichtbij de wolken, waardoor de kenmerken van moleculaire absorptie en verstrooiing veranderen. Baburaj zei: "Nadat we wolken aan de simulatie hadden toegevoegd, begonnen de resultaten consistent te zijn met ons theoretische begrip van koude planeten; we hebben drie verschillende soorten wolken geprobeerd, en het zoutwolkschema paste het beste." Nadat we de invloed van zoutwolken hadden overwogen, werden de kenmerken van atmosferische moleculen die in diepere lagen verborgen waren enigszins verzwakt, en werd het spectrale model uiteindelijk fysiek redelijk.

Aangenomen wordt dat dit werk het eerste directe bewijs is voor het bestaan ​​van zoutwolken in de atmosfeer van een koud planetair massaobject, en ook een klasse van theoretische voorspellingen verifieert die de wetenschappelijke gemeenschap meer dan tien jaar geleden naar voren heeft gebracht. Tegelijkertijd laten waarnemingen ook zien dat GJ 504 b ongewoon rijk is aan zware elementen – andere elementen dan waterstof en helium die astronomen gezamenlijk ‘metalen’ noemen – wat zou kunnen betekenen dat het vormingsproces ervan verschilt van dat van gewone reuzenplaneten. Op basis van de bestaande gegevens kan het onderzoeksteam nog steeds niet bepalen of het hemellichaam dichter bij een ‘gigantische planeet’ staat, gevormd door de samenvoeging van planetaire schijven, of dat het meer lijkt op een kleine ster of een bruine dwerg, gevormd door instorting door de zwaartekracht. De kwestie van de oorsprong ervan vereist nog verder diepgaand onderzoek.

De onderzoekers benadrukten dat de methode die in dit onderzoek door de James Webb-telescoop wordt gedemonstreerd een nieuw venster zal openen voor het onderzoeken van meer soortgelijke zwakke en koude objecten. Jupiter heeft bijvoorbeeld dikke wolken ammoniakijs die de bovenste atmosfeer bedekken, maar bestaande instrumenten zijn nog steeds niet in staat deze wolkenstructuren met een vergelijkbaar detailniveau waar te nemen als GJ 504 b. Tegenwoordig laat de succesvolle detectie van zoutwolken in de atmosfeer van GJ 504 b zien dat astronomen het soort koude werelden dat in detail bestudeerd kan worden gestaag uitbreiden, wat een belangrijke referentie vormt voor toekomstige verkenning van wolken en atmosferische structuren binnen en buiten het zonnestelsel.

Baburaj wees erop dat dit de eerste keer is dat zoutwolken een ‘cruciale rol’ spelen bij het interpreteren van het spectrum van een koud planeetmassa-object, wat belangrijke implicaties heeft voor het bouwen en corrigeren van atmosferische modellen. Hij herinnerde eraan: "Dit is een belangrijke herinnering: de aanwezigheid en impact van wolken moeten systematischer in overweging worden genomen in simulaties." Terwijl JWST contrastrijke beeldvorming en spectroscopische waarnemingen blijft uitvoeren, verwachten wetenschappers dat meer koude, donkere exocompanions zoals GJ 504 b diepgaand zullen worden bestudeerd, waardoor mensen een beter inzicht krijgen in de diverse planeten en substellaire werelden in het universum.