Astronomen hebben met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop een baanbrekende ontdekking gedaan: de eerste bevestigde detectie van waterstofsulfidegas in de atmosfeer van drie massieve exoplaneten die rond de ster HR 8799 draaien. Deze bevinding levert kritisch bewijs over de manier waarop deze gasreuzen ontstonden, wat erop wijst dat ze al vroeg in hun ontwikkeling vast materiaal verzamelden – een proces dat licht zou kunnen werpen op de planeetvorming in het hele universum.
Het HR 8799-systeem: een uniek laboratorium
HR 8799 is een relatief jonge ster, slechts 30 miljoen jaar oud, die zich op ongeveer 129 lichtjaar afstand bevindt in het sterrenbeeld Pegasus. In tegenstelling tot de meeste exoplaneten, die indirect worden gedetecteerd, zijn de vier planeten die rond HR 8799 draaien (b, c, d en e) direct zichtbaar door krachtige telescopen. Deze super-Jupiters hebben een massa van vijf tot tien keer de massa van Jupiter en draaien op grote afstanden van hun ster rond – ongeveer vijftien keer verder dan de aarde van de zon verwijderd is.
Dit systeem is opmerkelijk omdat het het enige is waarvan momenteel bekend is dat het vier enorme gasreuzen herbergt. De ontdekking roept fundamentele vragen op over hoe dergelijke systemen ontstaan, aangezien de meeste andere waargenomen exoplanetaire systemen minder of kleinere metgezellen hebben.
Zwavel als sleutelindicator voor vaste vorming
Het onderzoeksteam, onder leiding van Dr. Jean-Baptiste Ruffio van de Universiteit van Californië, San Diego, gebruikte de uitzonderlijke gevoeligheid van Webb om de atmosferische samenstelling van de planeten c, d en e te analyseren. De belangrijkste bevinding? De aanwezigheid van waterstofsulfide (H₂S) gas.
Waarom is zwavel belangrijk? In tegenstelling tot koolstof of zuurstof, die afkomstig kunnen zijn van zowel gas als vaste materialen in een planetaire schijf, moet zwavel op zulke afstanden van een ster afkomstig zijn van vast materiaal. Zwavel uit de gasfase zou bij deze temperaturen niet overleven. Dit betekent dat de planeten tijdens hun vorming zwavel in de vorm van vaste stoffen hebben opgenomen.
“Het is onmogelijk dat deze planeten zwavel als gas hebben kunnen opnemen”, legt Dr. Jerry Xuan, een postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA en Caltech, uit.
Het team ontwikkelde nieuwe data-analysetechnieken om de zwakke signalen uit de waarnemingen van Webb te extraheren, aangezien de planeten ongeveer 10.000 keer zwakker zijn dan hun ster.
Universele trends in de samenstelling van de planeet
De verhouding tussen zwavel en waterstof, evenals koolstof en zuurstof, is op deze exoplaneten aanzienlijk hoger dan in HR 8799 zelf. Dit duidt op een duidelijk verschil in samenstelling tussen de planeten en hun moederster.
Interessant genoeg wordt ditzelfde patroon van verrijking aan zware elementen ook waargenomen bij Jupiter en Saturnus in ons eigen zonnestelsel. Dit suggereert dat planeten in verschillende systemen zich kunnen vormen met een vergelijkbare neiging om zware elementen in ongeveer gelijke verhoudingen te accumuleren.
“Het is niet eenvoudig om de uniforme verrijking van koolstof, zuurstof, zwavel en stikstof voor Jupiter te verklaren, maar het feit dat we dit in een ander systeem zien suggereert dat er iets universeels aan de hand is in de vorming van planeten,” zei Dr. Xuan.
Toekomstige implicaties voor zoekopdrachten naar aardachtige planeten
De methoden die in dit onderzoek worden gebruikt – het visueel en spectraal scheiden van planeten van hun sterren – zullen cruciaal zijn voor toekomstig exoplanetenonderzoek. Hoewel ze momenteel beperkt zijn tot gasreuzen, verwachten wetenschappers, naarmate de telescopen verbeteren, deze technieken toe te passen om aardachtige planeten in detail te bestuderen.
De zoektocht naar analogen van de aarde blijft een doel voor de lange termijn, waarbij wetenschappers schatten dat het tientallen jaren kan duren voordat ze een spectrum van een aarde-achtige planeet verkrijgen en beginnen te zoeken naar potentiële biosignaturen in de atmosfeer ervan. Deze bevindingen markeren echter een belangrijke stap in de richting van dat uiteindelijke doel.
Samenvattend bevestigt de detectie van waterstofsulfide in de atmosfeer van de gasreuzen van HR 8799 dat deze planeten zijn ontstaan door het ophopen van vaste materialen, wat bijdraagt aan het groeiende bewijs van universele patronen in de planeetvorming. Deze doorbraak biedt waardevolle inzichten voor toekomstige zoektochten naar exoplaneten, waardoor we dichter bij het begrip van de diversiteit van planetaire systemen buiten de onze komen.
