„Ik stel me voor dat je er gigantische stenen kliffen hebt”, zegt Christiaan van Buchem, „die uitkijken over een lava-oceaan. En vulkanen en extreem harde winden landinwaarts.”
Dit visioen over hoe het eraan toegaat op de exoplaneet 55 Cancri e, is sciencefiction. Maar het zou kunnen, afgaand op de ontdekking die Van Buchem en zestien co-auteurs beschrijven in Nature: deze exoplaneet, een planeet buiten het zonnestelsel, heeft een dichte atmosfeer.
„Daar was al meer dan tien jaar een debat over gaande, maar dit is wel heel sterk bewijs”, vertelt Van Buchem in zijn werkkamer aan de Universiteit Leiden. De promotie-onderzoeker – vlassig wetenschappersbaardje, tattoo van het zonnestelsel op zijn linkerarm – verdedigt zijn proefschrift in oktober.
De exoplaneet 55 Cancri e is twee keer zo groot als de aarde, en bijna negen keer zo zwaar, en is daarmee rotsachtig, geen gasreus vergelijkbaar met Jupiter. Het ‘jaar’ duurt er minder dan 18 uur: in die tijd draait de planeet een rondje rond de ster 55 Cancri, een ster in het sterrenbeeld Kreeft, die op aarde met het blote oog nog net zichtbaar is. Officieel is 55 Cancri e ‘Janssen’ genoemd, naar de Middelburgse brillenmaker Zacharias Janssen (ca. 1585-1632), die mogelijk de telescoop uitvond.
Dat ‘rotsachtig’ moet je niet al te letterlijk nemen: omdat Janssen dicht bij zijn ster staat, is het er rond de 1.700 graden. Het oppervlak bestaat voor een groot deel uit een oceaan van gesmolten steen. Janssen is een ‘lavaplaneet’. Des te bijzonderder is het dat zijn atmosfeer toch niet verdampt is.
Het bewijs daarvoor is, zoals dat gaat in de astronomie, nogal indirect. Ook op de scherpste telescoopbeelden zijn planeet en ster niet te onderscheiden, daarvoor staan ze veel te dicht bij elkaar. Veel exoplaneten worden ontdekt als ze voor hun ster langsgaan, „maar voor deze meting hebben we gekeken naar wat er gebeurt als de planeet áchter de ster langs gaat”, zegt Van Buchem.
Even vóór dat moment is hij nog zichtbaar. Het infrarode licht dat hij toen uitstraalde, kwam terecht in twee detectoren aan boord van de James Webb-ruimtetelescoop. Even later zit de planeet verborgen achter zijn ster, en ving de telescoop alleen maar het sterlicht op.
De verschillen tussen die twee plaatjes zijn miniem: hooguit 0,1 promille. Eigenlijk scheen de ster ook te fel, vertelt Van Buchem. „55 Cancri staat op 41 lichtjaar afstand. Dat is best dichtbij. Sommige pixels raakten overbelicht.”
Vier teams van astronomen analyseerden de wel gelukte metingen op vier verschillende manieren, om bias of vooringenomenheid te voorkomen. Het resultaat – het licht van de ster plus planeet, minus het licht van alleen de ster – is een ruw spectrum van het planeetlicht. En dat spectrum, berekende Van Buchem, past eigenlijk niet bij een atmosfeerloze lavaplaneet. De promovendus ontwikkelde software om lavaplaneten te simuleren bij verschillende samenstellingen en temperaturen. „55 Cancri e staat altijd met dezelfde kant naar de ster toe, dus die permanente ‘dagkant’ wordt heel heet. Als er geen atmosfeer is, kan die hitte slecht afgevoerd worden naar de nachtkant”, legt hij uit.
Select gezelschap
In dat geval zou de dagkant relatief veel licht uitzenden, maar dat was niet wat de telescoop zag: de gemeten curve klopt veel beter met de simulatie van Mantas Zilinskas, onderzoeker aan ruimteonderzoeksinstituut SRON, één gebouw verderop in Leiden. Zilinskas rekende een spectrum uit voor een planeet met een dichte atmosfeer. Van Buchem: „Als er een atmosfeer is, kan de hitte herverdeeld worden naar de nachtkant. Dan krijg je een koeler spectrum, en dat is wat we hier zien.”
Daarnaast waren er in Zilinskas’ spectrum, en ook in de metingen, karakteristieken te zien van CO2 of CO (koolmonoxide) als hoofdbestanddeel van die atmosfeer. De druk zou tussen de 1 en de 200 atmosfeer liggen, vergelijkbaar of dichter dan de aardse atmosfeer. Daarmee betreedt Janssen een select gezelschap: alleen de rotsplaneten Venus en de aarde, en de Saturnusmaan Titan, hebben een vergelijkbare atmosfeer. Al is Janssen door de steensmeltende temperaturen niet echt verenigbaar met leven zoals wij dat kennen.
Maar onderbouwd fantaseren kan wel, vindt Van Buchem, die verwacht dat toekomstige waarnemingen meer details opleveren. De temperatuurverschillen op Janssen leiden tot krachtige stormen in de dichte atmosfeer, vooral bij de grens tussen dag- en nachtkant, waar misschien een lava-oceaan grenst aan een gloeiende rotskust. Van Buchem: „En daar heb je ook een eeuwige zonsondergang, met de ster permanent laag boven de horizon van de gloeiende lavazee. Het moet daar heel extreem zijn. Echt hels.”
