Verdwijnende planeet: De verdampende atmosfeer van GJ 3470b

Een verdwijnende wereld gezien in ultraviolet

Voor astronomen die in ultraviolet licht turen, ziet een wereld ter grootte van Neptunus op zo'n 96 lichtjaar afstand er minder uit als een planeet en meer als een komeet. Spectra van de Hubble Space Telescope onthullen een enorme wolk van neutrale waterstof rond GJ 3470b, die van de planeet wordt weggeblazen en de ruimte in stroomt; het signaal is sterk genoeg dat onderzoekers schatten dat de planeet al een aanzienlijk deel van zijn oorspronkelijke massa heeft verloren en sneller verdampt dan enige vergelijkbare wereld die tot nu toe is bestudeerd.

Hoe het signaal werd gevonden

De detectie is afkomstig van herhaalde waarnemingen van de transit van GJ 3470b voor zijn rode dwerg-gastster langs, vastgelegd in de Lyman-α-lijn van waterstof als onderdeel van het Panchromatic Comparative exoplaneet Treasury (PanCET)-programma. De Hubble-gegevens tonen diepe, herhaalbare absorptie tijdens de transit: ongeveer 35% in de blauwe vleugel van de lijn en 23% in de rode vleugel, kenmerken die wijzen op een grote, gestructureerde omhulling van neutrale waterstof die tot ver buiten de Rochelob van de planeet reikt. Deze metingen stelden het team in staat om het ontsnappende materiaal te modelleren en een huidige verliesratio van neutrale waterstof af te leiden in de orde van grootte van 10^10 gram per seconde.

Fysica van het ontsnappen: verhitting, stralingsdruk en Roche-limieten

Planeten die dicht bij hun ster staan, worden overspoeld door röntgen- en extreem-ultravioletstraling (XUV) van hun ster. Die energie verhit de bovenste atmosfeer, waardoor deze in een hydrodynamische stroming terechtkomt: het gas zet uit totdat individuele deeltjes ontsnappen aan de zwaartekracht van de planeet. Voor GJ 3470b wordt dit proces versterkt omdat de wereld een relatief lage dichtheid heeft en rond een jonge, actieve M-dwerg draait, waardoor de stralingsdruk en de hoogenergetische flux van de ster neutrale waterstof met hoge snelheden wegduwen. Numerieke simulaties die de waargenomen stellaire instraling combineren met deeltjesdynamica, reproduceren de Hubble-absorptiekenmerken en impliceren dat de planeet materiaal veel sneller verliest dan eerder gemeten warme Neptunussen.

Vorm van de exosfeer geeft aanwijzing over de dynamiek

De absorptie van GJ 3470b is asymmetrisch in snelheid, met zowel blauw- als roodverschoven componenten. Dat patroon — een uitgerekte blauwe vleugel die wijst op atomen die van de ster weg worden versneld en een rode vleugel die consistent is met dicht, langzaam bewegend gas — suggereert meerdere regio's in de ontsnappende stroom. De analyse geeft de voorkeur aan een ellipsoïde, langgerekte thermosfeer die zich tientallen planetaire stralen voor en achter de planeet kan uitstrekken, en mogelijk een schoklaag bevat waar uitstromend planetair gas botst met de stellaire wind. Deze geometrische details stellen astronomen in staat om van een loutere detectie van een wolk over te gaan naar een schatting van de geschiedenis van het massaverlies.

Hoeveel er al is verdwenen, en wat de toekomst kan brengen

Door de afgeleide ontsnappingssnelheid terug in de tijd te projecteren onder redelijke aannames over de eerdere activiteit van de ster, schat het team dat GJ 3470b gedurende zijn ongeveer twee miljard jaar durende levensduur al tussen de 4% en 35% van zijn huidige totale massa kan zijn verloren — en dat aandeel zou groter kunnen zijn als de ster in zijn jeugd aanzienlijk helderder was in XUV. Voortgezet verlies met vergelijkbare gemiddelde snelheden zou de planeet over enkele miljarden jaren van het grootste deel van zijn waterstofmantel kunnen ontdoen, waardoor een veel kleinere, rotsachtige kern overblijft — een evolutionair pad dat kan helpen verklaren waarom er zo weinig planeten ter grootte van Neptunus zeer dicht bij hun sterren worden waargenomen. De berekeningen brengen echter aanzienlijke onzekerheden met zich mee: de mate van massaverlies hangt af van de onzekere geschiedenis van stellaire activiteit, de samenstelling en thermische structuur van de atmosfeer, en interacties met de stellaire wind.

Context: de verdampingswoestijn en populatie-evolutie

Exoplaneet-surveys hebben al lang een relatief tekort aan middelgrote planeten op korte baanafstanden opgemerkt — een kenmerk dat soms de "verdampingswoestijn" wordt genoemd. Eén verklaring is dat veel warme Neptunussen zijn gevormd met dikke waterstof/helium-mantels, maar door aanhoudend atmosferisch verlies zijn gereduceerd tot superaardes en mini-Neptunussen. GJ 3470b bevindt zich dicht bij de rand van die woestijn, en het duidelijke voortdurende verlies vormt een direct, waarneembaar voorbeeld van het erosiemechanisme in actie. Het vergelijken van GJ 3470b met de bekendere verdampende Neptunus GJ 436b laat zien dat ontsnappingsgedrag sterk kan variëren tussen soortgelijke planeten als gevolg van verschillen in dichtheid en activiteit van de gastster.

Observationele uitdagingen en waarom ultraviolet cruciaal is

Het bestuderen van waterstofontsnapping is afhankelijk van ultraviolette spectroscopie, en dat vormt een grote observationele beperking: het interstellair medium verstrooit en absorbeert Lyman-α, waardoor alleen relatief nabije systemen — binnen ongeveer 150 lichtjaar en met gunstige zichtlijnen — toegankelijk zijn. De ultraviolette capaciteiten van Hubble zijn daarom essentieel geweest, en de multi-epoch-benadering van het PanCET-programma maakte het mogelijk om planetaire signalen te scheiden van stellaire variabiliteit en instrumentele effecten. Complementaire tracers, zoals helium waargenomen in het infrarood, omzeilen sommige beperkingen van Lyman-α en zijn toegankelijk voor instrumenten zoals de James Webb Space Telescope en spectrografen op de grond die zijn afgestemd op heliumlijnen; die waarnemingen hebben een hoge prioriteit omdat ze regio's met lagere snelheden in de stroom kunnen onderzoeken en kunnen helpen de balans van het totale massaverlies sluitend te maken.

Openstaande vragen en volgende stappen

Ondanks de duidelijkheid van het Hubble-signaal blijven er belangrijke onzekerheden bestaan. Het vertalen van een gemeten verliesratio van neutrale waterstof naar een totaal atmosferisch massaverlies vereist aannames over het ionisatie-evenwicht en het aandeel zwaardere elementen dat in de uitstroom wordt meegevoerd. De hoogenergetische geschiedenis van de ster — hoe lichtsterk deze in XUV was toen hij jong was — domineert de schattingen van het geïntegreerde massaverlies en is slechts indirect vast te stellen. In de toekomst plannen astronomen multi-golflengte vervolgonderzoek: zoektochten naar helium in het infrarood, aanvullende ultraviolette monitoring om te controleren op stabiliteit op de lange termijn of veranderingen die verband houden met stellaire activiteit, en vergelijkende surveys die de steekproef van in Lyman-α waargenomen warme Neptunussen uitbreiden. Samen zullen deze waarnemingen de rol van verdamping bij het vormen van exoplaneet-populaties verfijnen.

GJ 3470b is daarom zowel een laboratorium als een waarschuwing: onder de meedogenloze invloed van een nabije ster kan een wereld zichzelf langzaam afpellen tot iets heel anders. Die evolutie — grillig, uitgestrekt en zichtbaar als je weet waar je moet kijken — is mogelijk een veelvoorkomend hoofdstuk in de levensverhalen van veel planeten die rond kleine, actieve sterren draaien.

Bronnen

• Astronomy & Astrophysics (onderzoeksartikel: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Johns Hopkins University / PanCET persmateriaal over Hubble-waarnemingen van GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (Hubble-missieondersteuning en PanCET-programmadocumentatie).