Hoe herken je de atmosfeer van buitenaardse lavawerelden?
In de afgelopen 30 jaar zijn er ruim 5000 planeten ontdekt buiten ons zonnestelsel. Een veelvoorkomende exoplaneet is de lavawereld, een hete superaarde met oceanen van vloeibaar lava. Mantas Zilinskas ontwikkelde modellen om mogelijke atmosferen daarvan te simuleren. Die simulaties bieden houvast voor sterrenkundigen die met de James Webb-ruimtetelescoop naar deze atmosferen zoeken. Zilinskas promoveert woensdag 24 mei.
De meeste waargenomen exoplaneten lijken niet op de acht planten in ons zonnestelsel. Er zijn bijvoorbeeld hete Jupiters, gasreuzen die dichterbij hun moederster staan dan Mercurius bij de zon, en rostachtige lavawerelden, die groter zijn dan de aarde en die zo dicht om hun moederster draaien dat er lava-oceanen stromen.
Licht onthult atmosfeer van verre werelden
We weten weinig over deze verre werelden, zegt Mantas Zilinskas. Een aantal kenmerken kunnen sterrenkundigen inschatten op basis van de massa, straal en afstand tot de moederster. Maar dat geeft geen compleet beeld. Om meer te weten te komen over hun atmosferen, gebruiken sterrenkundigen daarom spectroscopie. Daarbij meten ze het licht van de moederster dat door de atmosfeer van de exoplaneet schijnt en daarna naar de aarde is gereisd. De aanwezige moleculen en atomen in een atmosfeer absorberen unieke kleuren van het licht. Zo ontstaat voor elke exoplaneet een unieke vingerafdruk waaraan je kunt zien welke stoffen diens atmosfeer bevat.
‘Ik vertel waar ze naar moeten zoeken’
Maar het is niet eenvoudig om de eigenschappen af te leiden uit spectroscopie-observaties. Daarom maken theoretische astrofysici zoals Zilinskas rekenmodellen die voorspellen hoe bepaalde eigenschappen zich vertalen naar observaties. ‘Ik bereken wat astronomen zouden kunnen observeren’, vertelt hij. ‘Het doel van mijn simulaties is om sterrenkundigen te vertellen waar ze naar moeten zoeken en wat dat ze kan vertellen over exoplaneten.’
Hebben lavawerelden een atmosfeer?
Zilinskas focuste zich tijdens zijn promotieonderzoek op atmosferen van lavawerelden en de observatie daarvan met de eind 2021 gelanceerde James Webb-ruimtetelescoop. ‘Deze atmosferen zijn nog niet gedetecteerd, maar we denken dat ze bestaan. Uit de lava-oceanen kunnen namelijk silicaatrijke gassen verdampen die een dunne, ijle atmosfeer kunnen vormen’, vertelt hij. ‘We proberen met modellen de chemische samenstelling en belangrijke eigenschappen van die atmosferen te voorspellen, zoals temperatuursveranderingen. En we kijken hoe dat het lichtspectrum beïnvloedt.’
Rekenen van boven naar beneden
Hiervoor gebruikte Zilinskas zogeheten eendimensionale modellen, die ervan uitgaan dat de grootste chemische veranderingen in de atmosfeer optreden in de verticale richting – van boven naar beneden – en niet in de horizontale. De modellen berekenen op elk punt de chemische omstandigheden. Dat combineerde Zilinskas met stralingstransfermodellen die berekenen hoe het licht van de moederster door die atmosfeer beweegt en hoe het spectrum daarbij verandert.
‘Er bestaan ook twee- en driedimensionale modellen, maar die kosten veel tijd en rekenkracht’, zegt Zilinskas. ‘Bovendien weten we weinig van lavawerelden en de snellere en flexibelere eendimensionale modellen geven ons de vrijheid om veel verschillende, mogelijke atmosferische samenstellingen te onderzoeken.’
‘Als ze bestaan, kan Webb ze vinden’
Uit de simulaties bleek dat de James Webb-ruimtetelescoop de atmosferen van lavawerelden kan waarnemen, als ze bestaan. ‘Het liet ook zien wat een grote stap vooruit deze ruimtetelescoop is’, zegt Zilinskas.
Op het moment is de ruimtetelescoop nog bezig met het observeren van exoplaneten, waaronder lavawerelden. Zilinskas: ‘Ik hoop dat mijn promotieonderzoek kan dienen als leidraad voor toekomstige observaties van atmosferen van lavawerelden.’
Tekst: Dorine Schenk