Een internationaal team wetenschappers onder leiding van de Nederlandse astronoom Jens Hoeijmakers heeft ijzer en titanium (in gasvorm) gevonden in de atmosfeer van KELT-9b, de vorig jaar ontdekte heetste planeet die astronomen tot nu toe kennen. Het resultaat verschijnt morgen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Exoplaneten zijn planeten rond andere sterren dan onze zon en kunnen erg dicht bij hun ster staan. Als de ster veel heter is dan de zon, kan de temperatuur van de planeet oplopen tot die van een ster. KELT-9 is een ster op een afstand van ongeveer 620 lichtjaar van de aarde, in het sterrenbeeld Zwaan. Met een temperatuur van meer dan 10.000 graden is de ster bijna twee keer zo heet als de zon. Om de ster draait gasplaneet KELT-9b, in een baan die 30 maal kleiner is dan de baan van de aarde rond de zon. Hierdoor draait de planeet heel snel (elke 36 uur) om de ster heen en wordt hij verwarmd tot meer dan 4000 graden. Dat is niet zo heet als de zon (zo’n 6000 graden), maar wel heter dan veel andere sterren. Het was niet duidelijk hoe een atmosfeer er onder zulke extreme omstandigheden uit ziet.
Daarom gingen onderzoekers van de Universiteit van Bern (UNIBE) in Zwitserland aan de slag om een theoretisch model van de atmosfeer van KELT-9b te maken. Hun simulaties toonden aan dat de meeste moleculen bij deze temperatuur uit elkaar vallen in atomen, doordat de botsingen tussen de moleculen zo hevig zijn dat ze de verbindingen die de moleculen bijeenhouden kunnen breken. Dit wordt veroorzaakt door de extreem hoge temperatuur. Hun onderzoek voorspelde dat er gasvormige ijzeratomen in de atmosfeer van KELT-9b aanwezig zouden moeten zijn en dat ze bovendien waargenomen zouden kunnen worden met de huidige telescopen.
Het FOUR ACES team van de Universiteit van Genève in Zwitserland had de planeet inmiddels waargenomen, op een moment dat hij precies voor zijn ster langs ging. Dit is een techniek die gebruikt wordt om de samenstelling van de atmosfeer van de planeet te achterhalen: wanneer de planeet voor de ster staat schijnt er een klein beetje sterlicht door de bovenste lagen van de planeetatmosfeer. Atomen en moleculen die in de atmosfeer aanwezig zijn absorberen heel specifieke kleuren van dit licht, zodanig dat elk element zijn eigen absorptie-vingerafdruk heeft. Met behulp van een spectrograaf (een instrument dat wit licht opsplitst in zijn individuele kleuren) worden zo de vingerafdrukken van de verschillende atomen in de atmosfeer zichtbaar gemaakt.
De onderzoekers gebruikten de HARPS-Noord-spectrograaf van de Italiaanse Telescopio Nazionale Galileo op het Canarische eiland La Palma om KELT-9b te bestuderen en vonden een sterk signaal van ijzergas. “Met de theoretische voorspelling in de aanslag leek dit op het volgen van een schatkaart,” zegt Jens Hoeijmakers, onderzoeker aan beide Zwitserse universiteiten en eerste auteur van het artikel. “En toen we dieper in de data doken, vonden we steeds meer,” voegt hij daaraan toe. Niet veel later vond het team de vingerafdruk van nog een gasvormig metaal: titanium.
Deze ontdekking werpt nieuw licht op de eigenschappen van de atmosfeer van een nieuwe klasse exoplaneten, de ‘ultra-hete Jupiters’. Sterrenkundigen vermoeden dat veel planeten die onder soortgelijke omstandigheden bestaan, inmiddels geheel verdampt zijn door de intense straling van de ster waar ze dicht bij staan. Hoewel KELT-9b waarschijnlijk groot en zwaar genoeg is om deze straling te weerstaan, laat de studie zien dat ster-straling een grote impact kan hebben op de samenstelling van een planeet-atmosfeer, bijvoorbeeld vanwege het feit dat de hoge temperatuur ervoor zorgt dat alle moleculen in atomen uiteenvallen, inclusief de moleculen waar ijzer en titanium normaal gesproken deel van uit zouden maken.
In koelere planeten zouden deze atomen waarschijnlijk verborgen zitten in gasvormige oxiden of stofdeeltjes of damp-druppeltjes vormen, waardoor ze moeilijker zijn waar te nemen. Dit is niet het geval voor KELT-9b. “Deze planeet is een uniek laboratorium om te onderzoeken hoe een atmosfeer zich kan gedragen onder invloed van intens sterlicht,” concludeert Hoeijmakers.
(Afbeelding: Artistieke impressie van een zonsondergang op planeet KELT-9b. Credit: Denis Bajram.)