Van alle potentiële superaardes – aardse exoplaneten die massiever zijn dan de aarde – die er zijn, zou een exoplaneet die rond een ster op slechts 40 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Cetus draait, misschien wel de meest vergelijkbare zijn die tot nu toe is gevonden.
Toen de exoplaneet LHS 1140 b eind 2023 voor het eerst werd ontdekt door NASA’s James Webb Space Telescope, werd aangenomen dat het een mini-Neptunus was. Na analyse van de gegevens uit die waarnemingen heeft een team van onderzoekers, onder leiding van astronoom Charles Cadieux, van de Université de Montréal suggereren dat het waarschijnlijker is dat LHS 1140 b een superaarde is.
Als deze planeet een alternatieve versie van de onze is, betekent de relatieve nabijheid van zijn koele rode dwergster dat het hoogstwaarschijnlijk een gigantische sneeuwbal of grotendeels bevroren lichaam zou zijn met een substellaire (het gebied dat het dichtst bij zijn ster ligt) oceaan waardoor het lijkt alsof een kosmische oogbol. Er wordt nu gedacht dat het de exoplaneet is met de beste vooruitzichten voor vloeibaar water op het oppervlak, en dat hij zelfs bewoonbaar zou kunnen zijn.
Cadieux en zijn team zeggen dat ze “interessant bewijs hebben gevonden voor een [nitrogen]atmosfeer in de bewoonbare zone van een superaarde” in een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.
Sorry, Neptunus…
In december 2023 werden twee transits van LHS 1140 b waargenomen door het NIRISS-instrument (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) aan boord van Webb. NIRISS is gespecialiseerd in het detecteren van exoplaneten en het ontdekken van meer over hen door middel van transitspectroscopie, waarbij het licht wordt opgevangen van een in een baan om de aarde draaiende gastster terwijl deze door de atmosfeer van die planeet beweegt en naar de aarde reist. Door de verschillende spectrale banden in dat licht te analyseren, kunnen wetenschappers vervolgens informatie krijgen over de specifieke atomen en moleculen die in de atmosfeer van de planeet voorkomen.
Om de eerdere hypothese te testen dat LHS 1140 b een mini-Neptunus is, hebben de onderzoekers een 3D Global Climate Model of GCM gemaakt. Hierbij werd complexe wiskunde gebruikt om de verschillende combinaties van factoren te onderzoeken waaruit het klimaatsysteem van de planeet bestaat, zoals land, oceanen, ijs en atmosfeer. Verschillende GCM’s van mini-Neptunus werden vergeleken met het lichtspectrum waargenomen door transitspectroscopie. Een model voor mini-Neptunus omvat doorgaans een gasreus met een dichte wolkenloze of bijna wolkenloze, door waterstof gedomineerde atmosfeer, maar de spectrale banden van dit model kwamen niet overeen met de NIRISS-waarnemingen.
Omdat de mogelijkheid van een mini-Neptunus grotendeels uitgesloten was (hoewel verdere observaties en analyses nodig zullen zijn om dit te bevestigen), wendde het team van Cadieux zich tot een andere mogelijkheid: een superaarde.
Aarde weg van de aarde?
De met NIRISS waargenomen spectra kwamen meer overeen met die van superaarde GCM’s. Dit type planeet heeft doorgaans een dichte stikstof- of CO2-dichtheid2-een rijke atmosfeer die een rotsachtig oppervlak omhult dat een of andere vorm van water bevatte, hetzij in bevroren of vloeibare vorm.
De modellen suggereerden ook een secundaire atmosfeer, die werd gevormd nadat de oorspronkelijke atmosfeer van lichte elementen (waterstof en helium) was ontsnapt tijdens de vroege stadia van planeetvorming. Secundaire atmosferen worden gevormd uit zwaardere elementen die vrijkomen uit de korst, zoals waterdamp, koolstofdioxide en methaan. Ze worden meestal aangetroffen op warme, aardse planeten (de aarde heeft een secundaire atmosfeer).
De meest opvallende Webb/NIRISS-gegevens die niet overeenkwamen met de GCM’s waren dat de planeet een lagere dichtheid heeft (gebaseerd op metingen van de grootte en massa) dan verwacht voor een rotsachtige wereld. Dit komt overeen met het feit dat het waterleven voor ongeveer 10 tot 20 procent uit water bestaat. Op basis van deze schatting denken de onderzoekers dat LHS 1140 b misschien zelfs een hycean-planeet is: een oceanische planeet die de meeste kenmerken heeft van een superaarde, maar een atmosfeer die wordt gedomineerd door waterstof in plaats van stikstof.
Omdat hij dichtbij genoeg om een zwakke ster draait om getijde-locked te zijn, suggereren sommige modellen een grotendeels ijskoude planeet met aan de dagzijde een substellaire vloeibare oceaan.
Hoewel LHS 1140 b mogelijk een superaarde is, kan de Hycean-planeethypothese worden uitgesloten. Hycean-planeten zijn gevoelig voor het broeikaseffect, dat optreedt wanneer voldoende broeikasgassen zich ophopen in de atmosfeer van een planeet om te voorkomen dat warmte ontsnapt. Vloeibaar water zal uiteindelijk verdampen op een planeet die niet kan worden gekoeld.
Hoewel we steeds dichter bij het inzicht komen hoe de planeet LHS 1140 eruit ziet en of deze bewoonbaar zou kunnen zijn, zijn verdere observaties nodig. Cadieux wil dit onderzoek voortzetten door NIRISS-gegevens te vergelijken met gegevens over andere superaardes die eerder zijn verzameld door Webb’s Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), instrument. Er zijn ook minstens drie transitwaarnemingen van de planeet door Webbs MIRI, oftewel midden-infraroodinstrument, nodig om ervoor te zorgen dat stellaire straling de waarnemingen van de planeet zelf niet verstoort.
“Gezien de beperkte zichtbaarheid van LHS 1140b kunnen er meerdere jaren aan observaties nodig zijn om de potentiële secundaire atmosfeer te onthullen”, aldus de onderzoekers in hetzelfde onderzoek.
Zou deze planeet echt een bevroren exo-aarde kunnen zijn? De onzekerheid zal nog enkele jaren aanhouden.
The Astrophysical Journal Letters, 2024. DOI: 10.3847/2041-8213/ad5afa