Jakten på liv utenfor jorda retter seg særlig mot steinplaneter med atmosfære. En atmosfære er avgjørende for at flytende vann skal kunne eksistere på overflaten. Av de mer enn 6300 eksoplanetene som hittil er katalogisert, er likevel de fleste ikke steinplaneter, og bare et lite antall av de kjente steinplanetene har mulige atmosfærer.

I en studie publisert i tidsskriftet The Astrophysical Journal Letters rapporterer et forskerteam ledet av Brendon Park Coy ved University of Chicago om tegn til atmosfære rundt HD 3167 b. Planeten er en steinete superjord i stjernebildet Fiskene. Den klassifiseres som en «lavaverden» og bruker bare ett jorddøgn på et omløp rundt stjernen sin.

«Det overraskende er at det burde bli stadig vanskeligere for en steinplanet å beholde atmosfæren når den nærmer seg stjernen sin, fordi stjernevinden bombarderer den, samtidig som stjernen sender ut flere høyenergiske fotoner. Likevel ser det ut til at mange av disse lavaverdenene har atmosfære», forklarte Edwin Kite, førsteamanuensis i geofysiske fag ved University of Chicago og medforfatter av studien.

Kite understreket samtidig at planetene er altfor varme til å kunne huse liv. Likevel kan de gi forskerne kunnskap om prosesser som også er viktige for andre steinplaneter.

Den kjøligste lavaplaneten med atmosfæretegn

HD 3167 b skiller seg ut fordi den er den hittil kjøligste lavaplaneten der det er funnet tegn til atmosfære. Det gjør planeten særlig interessant for forskere som forsøker å finne temperaturgrensen mellom planeter som klarer å beholde en atmosfære, og planeter som mister den.

Studien er det første resultatet fra et program ledet av Megan Weiner Mansfield, som tok doktorgrad i 2021 og nå arbeider ved University of Maryland. Programmet undersøker ti svært varme lavaplaneter for å finne ut om det finnes en kritisk temperatur der atmosfærer begynner å dannes.

Førsteforfatter Coy er doktorgradsstudent i Kites forskningsgruppe. Han forklarte at et hovedspørsmål for James Webb-teleskopet er om planeter som går i bane rundt langt mindre stjerner enn sola, har atmosfærer. De fleste slike jordlignende planeter ser foreløpig ut til å være nakne bergkloder.

Forskerne har likevel funnet tegn på at atmosfære kan være vanlig blant lavaverdenene. Dette er planeter med en sammensetning som ligner jordas og Venus’ sammensetning, men med langt høyere temperaturer. Til sammen er det nå funnet tegn til atmosfære på fem svært varme, jordlignende planeter – inkludert HD 3167 b.

James Webb måler planetens varme

Det er foreløpig ikke mulig å se jordlignende planeter direkte for å lete etter tegn til liv. I stedet registrerer James Webb-teleskopet lys i det midtinfrarøde området. Målingene kan brukes til å beregne temperaturen på en eksoplanet og vurdere om den kan ha en atmosfære.

Astronomene bruker to hovedmetoder i studier av eksoplaneter. Ved en transitt passerer planeten foran stjernen og reduserer mengden synlig lys i en kort periode. Den andre metoden, som ble brukt i denne studien, er en sekundærformørkelse. Da forsvinner planeten bak stjernen, og forskerne måler hvor mye av lyset som blir borte.

Forskjellen gjør det mulig å beregne hvor mye midtinfrarød stråling som kommer fra selve planeten, og dermed anslå temperaturen. Dersom planeten ikke hadde hatt atmosfære, skulle dagsiden som vender mot stjernen ha nådd den teoretisk høyeste temperaturen. Denne temperaturen bestemmes blant annet av hvor mye av stjernelyset overflaten reflekterer, og av avstanden til stjernen.

En atmosfære kan derimot transportere varme fra dagsiden til nattsiden. En lignende effekt finnes på Venus, der overflatetemperaturen varierer lite mellom dag og natt, og mellom polområdene og ekvator.

Kjøligere enn maksimumet

Atmosfæren kan også inneholde skyer som reflekterer innkommende stjernelys og kjøler ned dagsiden. Hvis dagsiden er kaldere enn det maksimale scenariet tilsier, er det derfor et mulig tegn på atmosfære.

Dagsiden på HD 3167 b er betydelig kjøligere enn forventet maksimum. Forskerne mener dette gir sterke bevis for at planeten har en atmosfære, selv om målingene ikke viser nøyaktig hva atmosfæren består av.

Lavaverdenene har fått navnet sitt fordi overflaten som vender mot stjernen, trolig består av smeltet stein. Forskerne tror HD 3167 b kan være rik på silikater, og at mineralblandingen kan ligne materialet som utgjør jordas mantel.

Før denne studien mente forskerne at atmosfærene på de aller varmeste planetene hovedsakelig besto av fordampet stein. Stadig flere tegn tyder imidlertid på at noen av dem også kan inneholde tyngre gasser, som karbondioksid, karbonmonoksid eller vann.

Vil undersøke atmosfæren nærmere

Forskerne vet foreløpig ikke nøyaktig hvilke stoffer atmosfæren på HD 3167 b består av, og ønsker derfor nye observasjoner. At fire andre lavaverdenener med atmosfære befinner seg i området for de aller varmeste planetene, reiser spørsmålet om det finnes en kritisk temperatur der silikatatmosfærer begynner å bli svært tykke.

Forskerne vil også undersøke om det ved en bestemt temperatur dannes lag av silikatskyer på disse planetene. Slike skyer kan reflektere stråling tilbake ut i rommet og kjøle ned dagsiden. Fordi HD 3167 b er relativt kjølig sammenlignet med de andre planetene, kan den bidra til å beskrive denne overgangen mer presist og avgrense hvor den går.

Lavaplanetene er ikke egnet for liv, men de kan likevel gi et innblikk i jordas tidlige historie. Forskerne mener at steinplanetene i solsystemets begynnelse var ekstremt varme på grunn av energien fra mange kollisjoner mellom planetesimaler.

Jorda gikk også gjennom en fase med et såkalt magmahav, da hele overflaten var flytende. Studien av HD 3167 b kan derfor bidra til å undersøke hvilke forhold som kan ha preget jorda i løpet av de første par millioner årene.