De astronomie heeft een volgende stap gezet in de studie van verre werelden dankzij een ongekende vangst: de James Webb ruimtetelescoop is erin geslaagd om een koude exoplaneet die zich net onder de aarde bevindt, direct te fotograferen 12 lichtjaar van de Aarde. Het gaat over Epsilon India Ab, een gasreus die ons dankzij zijn eigenschappen een blik op de evolutionaire geschiedenis van ons eigen zonnestelsel biedt met een nauwkeurigheid die nooit eerder is bereikt.
Bij deze gelegenheid hebben onderzoekers gebruik gemaakt van de geavanceerde coronagraaf van het instrument MIRI (Mid-Infrarood) om het licht van de planeet te scheiden van de verblindende helderheid van zijn gastster, Epsilon Indi A. Het resultaat is het scherpste en meest gedetailleerde beeld dat ooit van zo'n koele exoplaneet is verkregen, een mijlpaal die alleen mogelijk is dankzij de baanbrekende technologie van Webbs.
De ontdekking van Epsilon Indi Ab Het is niet alleen relevant vanwege de nabijheid van de aarde, maar ook vanwege zijn zeldzaamheid: planeten van dit type, met zulke lage temperaturen en die direct konden worden waargenomen, tellen slechts enkele tientallen in de huidige registratie.
Een ongewoon portret: Epsilon Indi Ab, de meest bestudeerde koude exoplaneet
De planeet Epsilon India Ab fascineert de wetenschappelijke gemeenschap al jaren. Het bestaan ervan was bekend via indirecte metingen, met name via de radiale snelheidstechniek, waarmee de kleine schommelingen van een ster worden gedetecteerd die worden veroorzaakt door de zwaartekracht van een zware planeet. Tot nu toe heeft echter nog niemand dit rechtstreeks kunnen waarnemen.
Door gebruik te maken van de gevoeligheid van MIRI, ving James Webb het infraroodlicht op dat door Epsilon Indi Ab zelf werd uitgezonden. Deze strategie is cruciaal voor het detecteren van koude planeten, waarvan de restwarmte niet langer voldoende is om in het zichtbare licht uit te stralen, maar in het midden-infrarood zichtbaar kan worden gemaakt. De afbeelding toont een puntvormig lichaam, dat niet op een schijf is opgelost, waarbij het licht van 10,6 micron in blauwe tinten verschijnt en het licht van 15,5 micron in oranje tinten. De locatie van de primaire ster is gemarkeerd, hoewel zijn licht door de coronagraaf is geëlimineerd.
Het resultaat is dubbel waardevol: bevestigt niet alleen het bestaan van de planeet en zijn fundamentele eigenschappen, maar maakt het ook mogelijk om zijn atmosferische eigenschappen te vergelijken met die van de gasreuzen in ons zonnestelsel.
Met een geschatte temperatuur van slechts 2 graden Celsius –vrijwel vergelijkbaar met vloeibaar water op aarde–, is Epsilon Indi Ab een van de koude exoplaneten met de meest directe en gedetailleerde observaties. Het is daarom een essentiële referentie voor het onderzoek naar atmosferen die rijk zijn aan verbindingen als methaan, koolmonoxide en kooldioxide. Deze verbindingen kunnen in grote hoeveelheden aanwezig zijn en het absorptieprofiel van het licht dat ons bereikt, aanzienlijk beïnvloeden.
Een natuurlijk laboratorium voor het begrijpen van de evolutie van planetaire systemen
De ster Epsilon India A, de gastheer van deze exoplaneet, is een oranje dwergster die iets koeler is en ongeveer even oud is als onze zon. Dat zo'n zware en koude planeet om een ster van dit type draait, biedt astronomen de mogelijkheid om Onderzoek processen van planetaire vorming en atmosferische evolutie in contexten die erg lijken op de onze, maar toch ver verwijderd zijn van die van ons..
Volgens de onderzoeker Caroline Morley (Universiteit van Texas in Austin) was tot nu toe de aanwezigheid van Epsilon Indi Ab alleen afgeleid via indirecte analyse. De keuze voor Jupiter als prioritair doelwit voor de James Webb-telescoop was een reactie op de verwachting een planeet te vinden die ‘meer op Jupiter leek dan welke andere tot nu toe gefotografeerde planeet ook’.
De hoofdauteur, Elisabeth Matthews (Max-Planck-Institut für Astronomie, Duitsland) wijst erop dat de meeste tot nu toe direct waargenomen exoplaneten jonge, hete lichamen waren. "Naarmate planeten gedurende hun leven afkoelen en krimpen, worden ze veel minder helder en moeilijker te bestuderen", legt Matthews uit. Dit is een van de grootste uitdagingen voor de volwassen exoplaneet astrofysica.
Epsilon Indi Ab biedt daarom een unieke kans om een gasreus in een vergevorderd evolutionair stadium te onderzoeken, vergelijkbaar met grotere lichamen in ons eigen zonnestelsel.
Het meest interessante voor experts is de mogelijkheid van analyseer de atmosferische samenstelling precies. Epsilon Indi Ab is slechts ongeveer 100 graden warmer dan Jupiter en Saturnus, waardoor vergelijkingen van grootschalige afkoeling, krimp en atmosferische zuiveringsprocessen mogelijk zijn. Bovendien is Epsilon Indi Ab nog koeler dan vrij zwevende bruine dwergen, waardoor we kunnen onderzoeken in hoeverre huidige modellen de waargenomen werkelijkheid weerspiegelen.
Het verbaast zelfs de wetenschappers zelf
Hoewel de aanwezigheid van Epsilon Indi Ab was voorspeld door de radiale snelheidspatronen van zijn ster, de werkelijke parameters ervan verbijsterden het team. De planeet bleek – volgens de waarnemingen van Webb – bijna twee keer de verwachte massa te hebben, op een iets grotere afstand van zijn ster te draaien en een andere baan te beschrijven dan aanvankelijk werd voorspeld. Deze discrepantie tussen theoretische voorspellingen en directe metingen benadrukt de complexiteit van planetaire systemen en de noodzaak om meer veldgevallen met echte gegevens te bestuderen.
Het team wijst ook op een bepaalde atmosferische bijzonderheid die het interpreteren van de gegevens lastig maakt. Volgens eerste analyses is Epsilon Indi Ab minder helder dan verwacht bij kortere golflengten, wat te wijten zou kunnen zijn aan een atmosfeer zwaar beladen met methaan en andere absorberende gassen of een dichte wolkenbedekking. Dit gedrag, dat ongebruikelijk is voor planeten met vergelijkbare kenmerken, opent nieuwe onderzoeksmogelijkheden naar de chemische en fysische processen die de atmosfeer van planeten controleren onder extreme temperatuuromstandigheden.
Op dit moment beschikt de groep over een beperkt aantal fotometrische metingen. Om precies te bepalen welke componenten de atmosfeer domineren en hoe zij de stralingsstroom beïnvloeden, zijn verdere spectroscopische waarnemingen nodig.
