James Webb ruimtetelescoop vindt dikke atmosfeer rond gloeiende lavawereld

Onderzoekers hebben met behulp van de NASA's James Webb Space Telescope het sterkste bewijs tot nu toe gevonden voor een atmosfeer op een rotsachtige planeet buiten ons zonnestelsel. Waarnemingen van de ultrahete ‘superaarde’ TOI-561 b suggereren dat de exoplaneet wordt omgeven door een dikke laag gassen boven een wereldwijde magma-oceaan. De resultaten gaan in tegen de gangbare opvatting dat relatief kleine planeten die dicht bij hun ster staan, geen atmosfeer kunnen vasthouden. RUG-sterrenkundige Tim Lichtenberg en promovenda Emma Postolec werkten aan het onderzoek mee.

FSE Science Newsroom / Tekst NASA

Met een straal van ongeveer 1,4 keer die van de aarde en een omlooptijd rond de moederster van minder dan 11 uur behoort TOI-561 b tot een zeldzame klasse van exoplaneten met een ultrakorte omlooptijd. Hoewel de moederster maar iets kleiner en koeler is dan de zon, draait TOI-561 b op een veertigste van de afstand tussen Mercurius en de zon, minder dan 1,5 miljoen kilometer. Hierdoor staat de planeet altijd met dezelfde kant ernaar toe, en is de temperatuur van de permanente dagzijde veel hoger dan de smelttemperatuur van gesteente.

Een zeer oude ster

Wat deze planeet echt onderscheidt, is zijn abnormaal lage dichtheid’, aldus Johanna Teske, wetenschapper bij het Carnegie Science Earth and Planets Laboratory en hoofdauteur van een artikel dat donderdag is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. ‘Hij is niet superlicht, maar minder dicht dan je zou verwachten als hij een aardachtige samenstelling had.’

Een mogelijke verklaring voor de lage dichtheid van de planeet is dat deze een relatief kleine ijzeren kern zou hebben, en een mantel van gesteente dat niet zo dicht is als dat op aarde. Teske merkt op dat dit logisch zou kunnen zijn: ‘TOI-561 b onderscheidt zich van andere planeten met een ultrakorte omlooptijd doordat hij rond een zeer oude ijzerarme ster draait in een gebied van de Melkweg dat bekend staat als de dikke schijf. Hij moet zijn ontstaan in een chemische omgeving die sterk verschilt van die van de planeten in ons eigen zonnestelsel.’ De samenstelling van de planeet zou dan representatief zijn voor planeten die zijn ontstaan toen het heelal nog relatief jong was.

Maar de exotische samenstelling kan niet alles verklaren. Het team vermoedde ook dat TOI-561 b omgeven kan zijn door een dikke atmosfeer, waardoor hij groter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Hoewel kleine planeten die miljarden jaren lang zijn gebakken in brandende sterrenstraling naar verwachting geen atmosfeer hebben, vertonen sommige tekenen dat ze niet alleen uit kale rotsen of lava bestaan.

Veel koeler dan verwacht

Om de hypothese te testen dat TOI-561 b een atmosfeer heeft, gebruikte het team de nabij-infrarood spectrograaf van de James Webb ruimtetelescoop om de temperatuur aan de dagzijde van de planeet te meten. Dit gebeurde met een techniek waarbij de afname in helderheid van het ster-planeetsysteem wordt gemeten terwijl de planeet achter de ster langs beweegt. Dit is eerder gedaan bij andere rotsachtige planeten.

Als TOI-561 b een kale rots is zonder atmosfeer om warmte naar de nachtzijde te transporteren, zou de temperatuur aan de dagzijde bijna 2700 graden Celsius moeten bedragen. Maar uit de NIRSpec-waarnemingen blijkt dat de temperatuur aan de dagzijde van de planeet dichter bij 1800 graden ligt – nog steeds extreem heet, maar veel koeler dan verwacht.

Om de resultaten te verklaren heeft het team een aantal verschillende scenario's overwogen. De magmaoceaan zou de warmte kunnen laten circuleren, maar zonder atmosfeer zou de nachtzijde waarschijnlijk uit vast gesteente bestaan, waardoor de warmte niet van de dagzijde weg kan stromen. Een dunne laag rotsdamp op het oppervlak van de magmaoceaan is ook mogelijk, maar zou op zichzelf waarschijnlijk een veel kleiner koelend effect hebben dan is waargenomen.

Gassen ontsnappen naar de ruimte

‘We hebben echt een dikke, vluchtige atmosfeer nodig om alle waarnemingen te verklaren’, aldus coauter Anjali Piette van de Universiteit van Birmingham (VK). Sterke winden zouden de dagzijde dan afkoelen door warmte naar de nachtzijde te transporteren. Gassen zoals waterdamp zouden bepaalde golflengten van nabij-infrarood licht dat door het oppervlak wordt uitgezonden absorberen, zodat de planeet er kouder uit zou zien omdat de telescoop minder licht detecteert. Het is ook mogelijk dat er heldere silicaatwolken zijn die de atmosfeer afkoelen door sterrenlicht te reflecteren.

Hoewel de waarnemingen van Webb overtuigend bewijs leveren voor een dergelijke atmosfeer, blijft de vraag: hoe kan een kleine planeet die aan zulke intense straling wordt blootgesteld überhaupt een atmosfeer vasthouden, laat staan een die zo dik is? Sommige gassen moeten naar de ruimte ontsnappen, maar misschien gaat dat niet zo efficiënt als verwacht.

‘We denken dat er een evenwicht bestaat tussen de magmaoceaan en de atmosfeer. Terwijl gassen uit de planeet komen om de atmosfeer te voeden, zuigt de magmaoceaan ze weer terug naar binnen’, aldus coauteur Tim Lichtenberg van de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Deze planeet moet heel veel meer vluchtige stoffen bevatten dan de aarde om de waarnemingen te verklaren. Het is dan echt een natte bal lava.’

Voor deze studie is het systeem meer dan 37 uur lang continu werd geobserveerd, in die tijd voltooide terwijl TOI-561 b bijna vier volledige banen rond de ster. Het team analyseert momenteel de volledige dataset om de temperatuur rondom de planeet in kaart te brengen en de samenstelling van de atmosfeer te bepalen. Teske: ‘Het spannende is dat deze nieuwe dataset nog meer vragen oproept dan hij beantwoordt.'

Referentie: Johanna K. Teske et al: A Thick Volatile Atmosphere on the Ultrahot Super-Earth TOI-561 b. Astrophysical Journal Letters, 11 December 2025

Zie ook: