Het is een doorbraak. Want de isotopen kunnen weleens enkele van de nu nog goedbewaarde geheimen van exoplaneten gaan prijsgeven.

Nadat eerder al isotopen op de maan en Mars zijn gemeten, zijn Nederlandse astronomen er nu als eersten ter wereld in geslaagd om koolstofisotopen in de atmosfeer van een exoplaneet te ontwaren. Dat is te lezen in het blad Nature.

Wat zijn koolstofisotopen?
Alles wat je om je heen ziet, bestaat uit moleculen, die weer opgebouwd zijn uit verschillende atomen. Een vrij bekend voorbeeld zijn de koolstofatomen, waar bijvoorbeeld bomen en planten van zijn gemaakt. Van een afstandje bezien, lijken alle koolstofatomen misschien identiek, maar dat zijn ze niet. De meeste koolstofatomen herbergen in hun kern zes protonen en zes neutronen, maar er zijn er ook die zeven of acht neutronen bezitten. En die verschillende vormen van hetzelfde atoom worden isotopen genoemd. Afhankelijk van het aantal neutronen in hun kern worden ze aangeduid als koolstof-12 (zes protonen en zes neutronen in de kern) of koolstof-13 (zes protonen en zeven neutronen) of koolstof-14 (zes protonen en acht neutronen).

Omdat verschillende isotopen van hetzelfde atoom heel veel op elkaar lijken, is het nog niet zo gemakkelijk om ze van elkaar te onderscheiden. “Hun spectrum is bijna hetzelfde,” aldus onderzoeker Ignas Snellen. “Je moet daarom heel nauwkeurige waarnemingen doen, wil het lukken om het ene isotoop van het andere te onderscheiden. Dat is nu voor het eerst gelukt.”

Atmosfeer
Eerder zijn onderzoekers er wel in geslaagd om vast te stellen welke elementen er in de atmosfeer van exoplaneten voorkomen. Ze maken daarbij handig gebruik van het sterlicht dat – wanneer de planeet voor de ster langs beweegt – door de atmosfeer sijpelt. Die reis door de atmosfeer verandert het spectrum van het sterlicht doordat elementen in die dampkring licht absorberen. Omdat ze dat allemaal op een specifieke manier doen, kan men aan de hand van het lichtspectrum achterhalen welke elementen in de atmosfeer aanwezig zijn. Op soortgelijke wijze hebben onderzoekers nu de aanwezigheid van verschillende koolstofisotopen kunnen vaststellen. Ook die verschillende isotopen absorberen licht namelijk net weer ietsje anders. En met behulp van ESO’s Very Large Telescope in Chili konden onderzoekers zulke nauwkeurige waarnemingen doen dat ze het effect dat verschillende isotopen op het lichtspectrum hadden, konden ontwaren.

TYC 8998-760-1b
De onderzoekers richtten zich op de exoplaneet TYC 8998-760-1b. Deze planeet is twee jaar geleden door Leidse astronomen ontdekt en bevindt zich op zo’n 300 lichtjaar afstand van de aarde. In de atmosfeer van de planeet troffen ze naast koolstof-12 (dat hier op aarde veel voorkomt) ook koolstof-13 aan. Dat laatstgenoemde isotoop lijkt op TYC 8998-760-1b zelfs twee keer vaker voor te komen dan hier op aarde.

Ontstaan
Het roept natuurlijk de vraag op waarom deze planeet zo rijk is aan koolstof-13. Voor nu vermoeden de onderzoekers dat het isotoop erop wijst dat de planeet op grote afstand van de moederster gevormd is. “Dat weten we niet zeker,” benadrukt Snellen. “Maar in ons eigen zonnestelsel hebben alle planeten ongeveer dezelfde koolstof-13 verhouding (voor zover we dat weten). De exoplaneet staat veel verder weg van haar moederster en zou wel eens op een andere manier ontstaan kunnen zijn dan de planeten rondom onze eigen zon. Daarom denken we dat de afstand tot de moederster een rol speelt in de verrijking aan koolstof-13. Dit gaan we zeker de komende jaren onderzoeken.”

Het begin
Want deze eerste metingen in de dampkring van TYC 8998-760-1b zijn nog maar het begin. Onderzoekers willen in de nabije toekomst op jacht naar isotopen nog veel meer atmosferen onder de loep nemen. Sterker nog: de onderzoekers zijn reeds bezig met waarnemingen aan een tweede exoplaneet, zo verklapt Snellen. “En er zullen er nog veel gaan volgen.”

Toekomstige instrumenten
De onderzoekers kunnen daarvoor een beroep doen op de Very Large Telescope. Maar er liggen ook grote kansen voor toekomstige instrumenten, zoals de James Webb Space Telescope, die dit najaar gelanceerd wordt en de Extremely Large Telescope die in 2027 operationeel moet zijn. “De James Webb is heel interessant omdat we daarmee waarschijnlijk ook deuterium kunnen gaan zien (het zwaardere broertje van waterstof). De deuterium-waterstof verhoudingen verschillen enorm in ons zonnestelsel, met wel 100 keer meer deuterium in de atmosfeer van Venus en Mars – waarschijnlijk omdat ze lang geleden heel veel water zijn verloren, waarbij waterstof makkelijker naar de ruimte is ontsnapt en het deuterium over is gebleven. Met de Extremely Large Telescope kunnen we ook naar deuterium gaan zoeken op Proxima b, mogelijk een zusje van de aarde, en iets leren over hoe de atmosfeer is geëvolueerd. Ook willen we naar verschillende zuurstof-isotopen gaan kijken.”

Dat sterrenkundigen er zo op gebrand zijn om de atmosfeer van exoplaneten tot op de neutron uit te pluizen, is goed te verklaren. “De metingen aan isotopen geven ons een nieuwe manier om over exoplaneten te leren,” stelt Snellen. “Als analogie: stel dat je als detective met vingerafdrukken werkt om een moord te onderzoeken, maar nu voor het eerst DNA-sporen kan meten. Daar lijkt dit een beetje op.” Zo kunnen de verschillende isotopen – omdat ze ook op verschillende manieren gevormd worden – meer inzicht geven in hoe, waar en wanneer planeten zijn ontstaan. “Als sterrenkundigen willen we graag begrijpen hoe speciaal ons zonnestelsel is. En hoe uniek de aarde is als levende planeet. Begrijpen hoe de aarde en andere planeten zich vormen, speelt daarbij een belangrijke rol.”