Waarnemingen hebben aangetoond dat helium ontsnapt uit de atmosfeer van een nabije exoplaneet

Astronomen van de Universiteit van Chicago en elders hebben de ontdekking gemeld van helium dat stroomt uit de atmosfeer van een kleine exoplaneet dicht bij Neptunus, bekend als TOI-2134 b. De ontdekking wordt gedetailleerd beschreven in een paper die op 3 augustus op een preprint-server is geplaatst arXiv.

Atmosferische ontsnapping is het proces waarbij atmosferisch gas de zwaartekrachtbron van de planeet verlaat en zich verspreidt in de ruimte. Dit proces vormt voornamelijk de kenmerken van de buitenste planeten.

Waarnemingen tonen aan dat atmosferische ontsnapping plaatsvindt in enkele nabije exoplaneetsystemen, van hete Jupiters tot terrestrische reuzenplaneten met een lage massa/kleine Neptunes. In hete Jupiters zijn de massaverliespercentages echter niet hoog genoeg om hun evolutie te beïnvloeden, maar in het geval van planeten met minder massa zorgt atmosferische ontsnapping voor aandrijving en controle van hun evolutie.

Exoplaneten met grote waterstof/helium-atmosferen zijn vanwege de intense stralingsniveaus in hun atmosfeer onderhevig aan hydrodynamische ontsnapping naar de atmosfeer. Het is een thermisch ontsnappingsmechanisme in de atmosfeer dat ervoor zorgt dat zwaardere atomen uit de planetaire atmosfeer ontsnappen door vele botsingen met lichtere atomen.

Nu heeft een team van astronomen onder leiding van Michael Zhang ontdekt dat er helium ontsnapt uit de atmosfeer van TOI-2134 b – een jonge Neptunus op ongeveer 73,8 lichtjaar van de aarde. De ontdekking werd gedaan met behulp van de Near Infrared Spectrometer (NIRSPEC) gemonteerd op de Keck II-telescoop op Mauna Kea, Hawaii.

“In dit artikel presenteren we de eerste detectie van heliumontsnapping uit TOI-2134 b, een jonge, warme Neptunus die in een baan rond een nabijgelegen (23-blokken) stille X-ray K-dwerg draait”, schreven de onderzoekers.

Uit de waarnemingen bleek dat het heliumsignaal een equivalente breedte heeft van slechts 3,3 kubieke meter, waardoor TOI-2134 b de planeet is met het kleinste heliumsignaal onder degenen die met helium zijn gedetecteerd. In het absorptiespectrum was de gemeten piekwaarde 0,37% en vond plaats bij een roodverschuiving van 7 km/s. Het toont ook een secundaire piek met een roodverschuiving van 10 km/s en een absorptiepiek van 0,13%.

De studie in TOI-2134 ba ontdekte een sterke correlatie tussen de snelheid van eindig energieverlies en de snelheid van massaverlies afgeleid door observatie. Het blijkt ook dat TOI-2134 b de laagste XUV-flux ervaart onder bekende exoplaneten die helium in hun atmosfeer hebben.

Door de resultaten te analyseren, concludeerden de astronomen dat de atmosferische ontsnapping van helium in TOI-2134 b hoogstwaarschijnlijk te wijten is aan fotoverdamping door de stellaire XUV, die het door de kern aangedreven massaverliesmechanisme verstoort. De resultaten geven ook een tijdschaal aan voor massaverlies in de orde van miljarden jaren.

De onderzoekers moedigen meer waarnemingen aan van TOI-2134 b en andere jonge Neptunes met heliumuitstromen, die rond volwassen sterren cirkelen. Ze hopen dat dergelijke studies ons zullen helpen de aard van atmosferische ontsnapping op buitenaardse werelden beter te begrijpen.