In de afgelopen tien jaar heeft het onderzoek naar exoplaneten een opmerkelijke groei doorgemaakt, aangedreven door missies als Kepler en TESS. Het resultaat is dat we nu ongeveer 5500 exoplaneten kennen. Daarnaast heeft statistische analyse van deze populatie exoplaneten een categorie planeten aan het licht gebracht die superaardes en subneptunes worden genoemd. Deze planeten vallen in grootte tussen de aarde en Neptunus in en zijn het meest voorkomende resultaat van planeetvorming.

Jongste bekende exoplaneet
Deze superaardes en sub-Neptunes zijn het onderwerp geworden van uitgebreid onderzoek om hun samenstelling, interne structuur en oorsprong te ontrafelen. Toch blijven cruciale aspecten van het prille leven van deze planeten onbekend: waar ze zijn ontstaan en hoe ze in de loop der tijd evolueren. In een poging deze fundamentele vragen te beantwoorden, heeft een team van astronomen met de Hubble-ruimtetelescoop de atmosfeer geobserveerd van een zeer jonge exoplaneet, V1298 Tau b genaamd. V1298 Tau b is slechts 20-30 miljoen jaar oud. Daarmee is het een van de jongst bekende exoplaneten en een ideale kandidaat om de geheimen van de evolutie van planeten te ontrafelen.

Ongebruikelijke atmosfeer

In hun artikel in Nature Astronomy onthullen hoofdonderzoekers Jean-Michel Desert en zijn promovendus Saugata Barat (beiden van de Universiteit van Amsterdam) de enigszins verrassende resultaten van de eerste transmissiespectrumanalyse van de atmosfeer van zo'n jonge planeet. Hun bevindingen onthullen een heldere en uitgestrekte atmosfeer van ongeveer 1000 kilometer, die voornamelijk bestaat uit primordiale waterstof en helium, met sporen van waterdamp. Deze samenstelling en structuur verschillen aanzienlijk van de atmosferen die we aantreffen bij hemellichamen in het zonnestelsel, zoals Titan. De atmosfeer van Titan beslaat slechts ongeveer 50 kilometer en wordt gedomineerd door zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof. De samenstelling van de atmosfeer van V1298 Tau b verschilt ook aanzienlijk van die van de meer ontwikkelde planeten, met een factor 100.

Metaalarm
Door gebruik te maken van absorptiekenmerken van waterdamp bepaalden de auteurs bovendien de hoeveelheden zware elementen van de planeet. Ze vonden deze significant lager (“metaalarm” in astronomische termen) in vergelijking met volwassen tegenhangers, en wel met een factor 100. Dit onderzoek vormt een kritische vergelijking tussen het atmosferische spectrum van een jonge sub-Neptunus/superaarde en zijn volwassen tegenhangers, waarbij fundamentele verschillen in hun aard, chemie en samenstelling naar voren komen.

Binnenkant planeet heter dan gedacht
Bij de temperatuur van deze planeet wordt verwacht dat de atmosfeer rijk is aan methaan. In de huidige studie wordt echter geen methaan gevonden. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de binnenkant van de planeet een zeer hoge temperatuur heeft, wat in combinatie met sterke verticale menging het methaan uit de waarneembare bovenste atmosfeer verwijdert.  Door de waarnemingen te vergelijken met theoretische modellen, kunnen de auteurs een ondergrens afleiden voor de binnentemperatuur, die heter blijkt te zijn dan de theoretische verwachting voor een dergelijke planeet. V1298 Tau b ondergaat momenteel een fase van thermische afkoeling en samentrekking.

De massa van de planeet wijst in de richting van een voorloper van een superaarde

Eerdere studies die gebruik maakten van de standaard radiale snelheidstechniek hadden een Saturnus-achtige massa gerapporteerd voor V1298 Tau b. Deze studie stelde een snelle samentrekking voor om de massa en straal op zo'n jonge leeftijd te verklaren.
In de huidige studie is de schatting van de massa van de planeet verfijnd met behulp van een innovatieve methode: door het waargenomen transmissiespectrum direct te analyseren, in plaats van met behulp van standaardtechnieken zoals radiale snelheden. Dit resultaat sluit eerdere massaschattingen van deze planeet met behulp van radiale snelheden uit en maakt de eerder voorgestelde eis van een snelle samentrekkingsfase overbodig.

Vervolgstappen
Voortbouwend op dit onderzoek worden er pogingen ondernomen om dieper in de atmosferen van jonge planeten te duiken. De auteurs hebben zich gewend tot de James Webb Space Telescope, die een grotere golflengtedekking en precisie biedt dan de HST, om de mysteries van deze unieke jonge wereld verder te ontrafelen.

Publicatiedetails
Saugata Barat, Jean-Michel Désert et al, The metal-poor atmosphere of a potential sub-Neptune progenitor, in: Nature Astronomy, 9 mei 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-024-02257-0