De James Webb-ruimtetelescoop maakt een spectaculair beeld van een pasgeboren planeet.

Als één vakgebied representatief zou zijn voor de moderne astronomie, dan zou dat ongetwijfeld de zoektocht naar exoplaneten zijn, met als uiteindelijk doel leven te vinden op één ervan of zelfs, waarom niet, een "tweede aarde". Al deze verre werelden (bijna zesduizend op het moment van schrijven) bieden ook een enorme hoeveelheid informatie over de complexe mechanismen die de vorming van planetenstelsels, waaronder het onze, bepalen. Decennialang was het detecteren van deze ongrijpbare hemellichamen een Herculestaak, maar de komst van de James Webb-ruimtetelescoop vier jaar geleden markeerde een keerpunt. En nu, ondanks dat de telescoop in 2022 , 2023 en 2024 al andere exoplaneten had ontdekt, heeft de James Webb zojuist een uitzonderlijke directe opname gemaakt van een jonge exoplaneet ingebed in de puinschijf rond een pasgeboren ster. Dit is de directe opname van de kleinste exoplaneet die tot nu toe met deze techniek is gedetecteerd.

De ontdekking, gedaan door de Franse astronoom Anne-Marie Lagrange van het CNRS aan de sterrenwacht van Parijs-PSL in samenwerking met de Université Grenoble Alpes en onlangs gepubliceerd in Nature , is wederom een ​​voorbeeld van de schijnbaar oneindige mogelijkheden van de ruimtetelescoop. De nieuwe planeet, TWA 7 b genaamd, is de lichtste planeet die tot nu toe met directe beeldvorming is waargenomen. Deze prestatie is een grote stap voorwaarts in de detectie en karakterisering van steeds kleinere, en daardoor meer aardachtige, werelden.

Maar waarom is het direct in beeld brengen van een exoplaneet zo buitengewoon moeilijk? Het antwoord ligt in het intense licht van sterren en de kleine omvang van planeten in vergelijking daarmee. Het direct bekijken van een exoplaneet is als proberen een vuurvliegje te zien dansen rond een vuurtoren op kilometers afstand. De vuurtoren is de ster: zijn helderheid is zo overweldigend dat hij het zwakke licht van planeten die eromheen draaien volledig overstemt. Daarom zijn de overgrote meerderheid van de tot nu toe ontdekte exoplaneten gedetecteerd met behulp van indirecte methoden, zoals transit (wanneer een planeet voor zijn ster langs beweegt, waardoor zijn licht enigszins afneemt) of radiële snelheid (die de 'zwaartekrachtsvervorming' meet die een planeet op zijn ster veroorzaakt).

Deze technieken leveren echter geen waarheidsgetrouw beeld van de planeet op. Dat is wel het geval bij directe beeldvorming, waarbij het licht van de planeet zelf wordt vastgelegd, ofwel weerkaatst door zijn ster, ofwel, vaker nog, zijn eigen restwarmte, die in het infrarood zichtbaar is.

En hier komen de buitengewone infraroodcapaciteiten van James Webb in het spel. Om het probleem van starburst te verhelpen, gebruikten Lagrange en zijn collega's een nieuwe coronagraaf (gemaakt in Frankrijk) die geïnstalleerd is op het Mid-Infrared Instrument (MIRI) van de telescoop, een krachtige infrarooddetector. Net zoals de maan tijdens een totale zonsverduistering zijn licht blokkeert en wetenschappers in staat stelt zijn overigens onzichtbare atmosfeer (de corona) te bestuderen, is een coronagraaf in wezen een ondoorzichtige schijf, of masker, die op de telescoop wordt geplaatst om het licht van een verre ster te blokkeren tijdens het observeren ervan. Deze manoeuvre maakt het mogelijk om het veel zwakkere licht van objecten dicht bij de ster, zoals exoplaneten of puinschijven, te detecteren met het infraroodinstrument.

De coronagraaf van MIRI op Webb is echter geen eenvoudige schotel, maar is uitgerust met een scala aan geavanceerde technologieën, waaronder een Lyot-type coronagraaf en drie vierkwadrantenfasemasker (4QPM) coronagrafen. Deze maskers maken een veel kleinere 'interne werkhoek' mogelijk. Dit betekent dat ze het licht van de ster op zeer korte hoekafstanden kunnen blokkeren, waardoor het mogelijk wordt om planeten te observeren die veel dichter bij hun ster draaien dan voorheen mogelijk was.

Het observatieproces met de coronagraaf van MIRI is uiterst nauwkeurig. Nadat het grootste deel van het sterlicht is geblokkeerd, blijven er nog steeds sporen van gereflecteerd licht over die de observaties kunnen verstoren. Om dit restlicht te elimineren en een scherper beeld van de exoplaneet te verkrijgen, gebruiken astronomen de 'referentiester-subtractie'-techniek. Hierbij observeren ze een nabije referentiester zonder planeet, met exact dezelfde instrumentconfiguratie. Door het beeld van de referentiester af te trekken van het beeld van de doelster (de ster met de exoplaneet), kunnen onderzoekers het zwakke signaal van de planeet isoleren.

Alsof dat nog niet genoeg is, gebruikt Webb ook een techniek genaamd Angular Differential Imaging (ADI), waarbij de telescoop tijdens de waarneming lichtjes wordt gedraaid. Hierdoor beweegt de planeet in het beeldveld, terwijl de restlichtpatronen van de telescoop statisch blijven, waardoor ze later gemakkelijker te elimineren zijn. Dankzij de combinatie van deze methoden kan de telescoop objecten detecteren die tot een miljoen keer zwakker zijn dan de ster zelf.

De auteurs van de studie richtten hun aandacht op objecten die het meest geschikt leken voor directe beeldvorming. Dit waren jonge systemen, slechts een paar miljoen jaar oud, die "vanaf de pool" (d.w.z. hun schijven "van bovenaf gezien") konden worden waargenomen. Dit is erg belangrijk omdat pas gevormde planeten in deze schijven nog heet zijn en daardoor meer infrarood licht uitzenden, waardoor ze "helderder" zijn voor Webbs instrumenten dan oudere, koelere planeten.

Van de verschillende schijven die frontaal konden worden waargenomen, trokken er twee de aandacht van de onderzoekers, omdat eerdere waarnemingen al concentrische ringvormige structuren erin hadden onthuld. Dit leidde tot het vermoeden dat deze structuren het resultaat waren van de gravitationele interactie tussen onbekende planeten en kleine rotsachtige en ijzige lichamen ('planetesimalen'), voorlopers van planeten die botsen en samenklonteren in protoplanetaire schijven. Eén van deze systemen, TWA 7 genaamd, viel op door de drie duidelijk te onderscheiden ringen, waarvan er één bijzonder smal is en omgeven wordt door twee lege gebieden met vrijwel geen materie.

De afbeelding van James Webb onthulde een bron van infraroodlicht midden in de smalle ring. Nadat ze zorgvuldig de mogelijkheid van observationele vertekeningen (zoals de aanwezigheid van een achtergrondster of een instrumentartefact) hadden uitgesloten, concludeerden Lagrange en zijn team dat het hoogstwaarschijnlijk een exoplaneet was. Gedetailleerde simulaties bevestigden de hypothese: een planeet met de geschatte massa en positie zou inderdaad een dunne ring en een "opening" kunnen vormen, precies waar hij werd waargenomen.

De nieuwe exoplaneet, TWA 7 b genaamd, is een echte lichtgewicht vergeleken met de reuzenplaneten die tot nu toe direct in beeld zijn gebracht. Hij is zelfs tot tien keer lichter dan eerder direct in beeld gebrachte exoplaneten. Zijn massa, vergelijkbaar met die van Saturnus, bedraagt ​​ongeveer 30% van die van Jupiter, de zwaarste planeet in ons zonnestelsel. Dit betekent dat TWA 7 b, hoewel nog steeds een gasreus, aanzienlijk minder massa heeft dan veel van de "hete Jupiters" of "super Jupiters" die de lijst van direct in beeld gebrachte exoplaneten domineerden. Systemen zoals HR 8799, die vier direct in beeld gebrachte reuzenplaneten herbergen (waarvan de eerste, Beta Pictoris b, in 2008 werd ontdekt), zijn bijvoorbeeld aanzienlijk zwaarder dan TWA 7 b. Zelfs Epsilon Indi Ab , ontdekt in 2024 door Webb zelf met zijn MIRI-instrument en een van de koudste exoplaneten waarvan we een direct beeld hebben, heeft meerdere keren de massa van Jupiter.

Het nieuwe resultaat markeert daarom een ​​nieuwe fase in de detectie van steeds kleinere exoplaneten door middel van directe beeldvorming. Werelden die meer lijken op de aarde dan op de gasreuzen in ons eigen zonnestelsel. Hoewel TWA 7 b geen "super-aarde" is, plaatst de massa van ongeveer 0,3 keer die van Jupiter (ongeveer 100 keer de massa van de aarde) hem in een aanzienlijk lager bereik dan de reuzen die eerder met dezelfde methode werden gedetecteerd.

De grenzen van de James Webb-ruimtetelescoop zijn echter nog niet bereikt. Wetenschappers hopen zelfs beelden te maken van planeten met slechts 10% van de massa van Jupiter, en dus nog dichter bij de massa van de aarde. Daarbij komen nog de nieuwe mogelijkheden die toekomstige generaties telescopen, specifiek ontworpen voor de zoektocht naar exoplaneten, zullen hebben. Het is dan ook niet verwonderlijk dat astronomen al een lijst hebben met de meest veelbelovende systemen voor deze toekomstige waarnemingen.