De verscheidenheid aan planeten bij andere sterren dan onze zon blijkt enorm. Bijna iedere ontdekte exoplaneet lijkt volstrekt uniek. Daarom duizelt het onderzoekers van exoplaneten wel eens. Toch komen we steeds een stap dichterbij de ontstaansgeschiedenis.

Michiel min schreef deze blog voor Wetenschap.nu, etalage voor bloggende wetenschappers

Wij exoplaneetonderzoekers staan voor een schier onmogelijke taak. De eerste exoplaneten ontdekten we zo’n 25 jaar geleden. Sindsdien moeten we orde aanbrengen in de immense diversiteit aan planeten die het universum ons voorschotelt. Dit realiseerde ik me weer eens toen ik het proefschrift onder ogen kreeg van Andrew Ridden-Harper. Het draagt de illustere titel Inferno Worlds.

In dit proefschrift beschrijft de promovendus uit Leiden onder andere waarnemingen van een planeet die zo dicht rondom zijn ster draait, dat het oppervlak verandert in een kolkende lavaoceaan. Vulkanisme op deze planeet slingert grote hoeveelheden asdeeltjes de ruimte in. Die nemen we waar als een dikke wolk stof die de planeet volgt. Het trieste lot van deze planeet is dan ook om uiteindelijk volledig tot stof te vergaan.

Variatie dichtbij huis

We weten uit ons eigen zonnestelsel dat planeten diverse verschijningsvormen kunnen aannemen. Mercurius, Venus, Mars en de aarde zijn allemaal rotsachtige planeten met volledig andere eigenschappen. Mercurius bijvoorbeeld, het kleinst en dichtstbij de zon, bevat een relatief bijzonder grote ijzerkern. Waarom is nog niet helemaal duidelijk. Een mogelijke verklaring is dat Mercurius in zijn vroege leven geraakt is door een flinke asteroïde die een significant gedeelte van de stenen buitenlaag van de planeet gestript heeft. Daardoor bleef de planeet zitten met een relatief grote kern. Venus lijkt in veel opzichten op de aarde, maar heeft een verstikkend dik wolkendek. Het broeikaseffect is er zo extreem dat het aan het oppervlak een gloeiende 460 graden Celsius is.

En dan hebben we uiteraard nog Mars, de rode planeet. Het oppervlak van Mars krijgt zijn karakteristieke rode kleur van ijzeroxide, of roestdeeltjes. Omdat Mars wat lichter is, is een kleiner deel van het ijzer naar de kern gezonken. Het overgebleven ijzer aan het oppervlak is gaan roesten. Doordat Mars vroeger water had? Of simpelweg doormiddel van de zuurstof in de atmosfeer en heel lang wachten? Het eerlijke antwoord is dat we het nog niet weten.

En dan hebben we nog de gasreuzen Jupiter, met prachtige banden en de rode vlek, en Saturnus met uiteraard zijn uitgebreide ringen, en de blauwe ijsreuzen Uranus en Neptunus. Interessant om hierbij op te merken is dat de diepblauwe kleur van Neptunus wordt veroorzaakt door methaan in de atmosfeer. Zijn uiterlijk heeft dus niks te maken met water. Wat de veel lichtere kleur blauw van Uranus veroorzaakt is nog onduidelijk.

Geen planeet is hetzelfde

Het valt misschien op hoe vaak ik in de vorige paragraaf toegaf dat er ook in ons eigen zonnestelsel nog steeds dingen zijn die we niet precies begrijpen. We weten ook heel veel wel. Dat laat zien dat een fascinerende variëteit aan processen van invloed kunnen zijn op de eigenschappen van de planeten.

In dat licht bezien is het eigenlijk niet verrassend dat vrijwel geen van de tot nu toe ontdekte planeten rondom andere sterren in alle opzichten hetzelfde zijn. Net zoals ieder mens anders is, gevormd door zijn of haar genen, geboorteplaats, opvoeding, en gebeurtenissen gedurende zijn of haar leven. Een planeet wordt geboren met een bepaalde massa, en op een bepaalde plaats/afstand van de ster. Uiteindelijk wordt hij gevormd door evolutie en ontwrichtende gebeurtenissen gedurende zijn leven.

Jonge migratie van exoplaneten

Hete Jupiters, zoals we één van de eerste verrassende nieuwe klasses van exoplaneten noemen, zijn de migranten onder de planeten. Een hete Jupiter heeft typisch dezelfde massa als Jupiter, maar staat op een afstand van de centrale ster die vele malen kleiner is dan Mercurius in ons zonnestelsel. Volgens de huidige theorie van planeetvorming kunnen dit soort massieve planeten niet ontstaan zo dichtbij de ster. Waarom vinden we ze dan toch? De verklaring is dat deze planeten veel verder weg gevormd zijn maar door verschillende mechanismes steeds dichter naar de ster zijn gemigreerd.

Hier komen we ook weer aan bij de verdampende planeten die ik hiervoor al noemde. Zelf heb ik, samen met wetenschappers in Leiden en Amsterdam, waarnemingen geanalyseerd om de samenstelling van deze verdampende planeetjes te achterhalen. Het zou goed kunnen dat deze planeten in hun vroegere leven grote, hete gasreuzen waren. Vergelijkbaar met Neptunus. Door de extreme migratie naar warmere oorden dichtbij de ster is hun atmosfeer geheel verdampt. Slechts de kern is nog over. We hebben berekend uit die waarnemingen dat ook deze zeker niet het eeuwige leven hebben.

Hechte vriendschappen

Eerder dit jaar was groot in het nieuws dat wetenschappers mogelijk voor het eerst een maan rondom een exoplaneet hebben gevonden. Planeten in ons zonnestelsel hebben vaak één of meerder manen. Jupiter, een enorme planeet, heeft slechts een paar kleine maantjes. In dit geval betreft het echter een planeet ter grootte van Jupiter met een maan ter grootte van Neptunus. Bijna een dubbelplaneet. Een systeem als dit is heel moeilijk te verklaren. Mocht de ontdekking worden bevestigd, dan mogen we ons hoofd gaan breken over de vraag hoe zo’n hechte, onafscheidelijke vriendschap tussen twee zulke grote planeten is ontstaan.

Broertjes en zusjes

Een ander fascinerend systeem is het TRAPPIST-I systeem. Hier zien we zeven planeten, allemaal ongeveer ter grootte van de aarde. Deze planeetjes staan heel dicht bij elkaar en draaien vrij snel rondom hun lichtzwakke moederster. Een zeer interessante theorie over het ontstaan ervan beschrijft een soort lopende band. Die begint op grote afstand van de ster, ongeveer op de grens waar de temperatuur zo laag is dat water overgaat in ijs. Hier vergaren de planeten hun massa.

Onder invloed van wrijving met het materiaal waaruit ze vormen, migreren de planeten als ze groot genoeg zijn, dichter naar de ster toe. Hierdoor maken ze plaats voor de vorming van de volgende zusterplaneet.

Statistiek van duizenden

Deze voorbeelden zijn slechts een tipje van de sluier. Om te begrijpen hoe planeten ontstaan en worden gevormd door evolutie, bepaalde gebeurtenissen, en door interactie met andere planeten in het systeem hebben we betere statistiek nodig. Veel meer gegevens over een groter aantal uiteenlopende planetenstelsels. De TESS-telescoop die de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA begin 2018 lanceerde, gaat hierbij helpen. TESS gaat uitgebreider op zoek naar meer planeten rond helderdere sterren dan tot nu toe. Dit helpt ons om ook andere telescopen naar deze planeten te richten. Zo kunnen we gedetailleerder kijken naar samenstelling, kleur en massa.

Nog mooier wordt het met de PLATO-satelliet die de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in 2026 lanceert. PLATO gaat naar een nog grotere variatie aan planeten kijken. Daarnaast bepaalt de satelliet ook de leeftijd van de moedersterren van deze planeten. Ik mag de komende jaren de bijdrage aan PLATO vanuit Nederland zowel wetenschappelijk als technologisch vorm gaan geven. Een interessante uitdaging.

Vanuit SRON bestaat een belangrijk deel van het werk uit het testen en kalibreren van de PLATO-telescoop. Het doel: statistiek van vele duizenden planeten. En hoewel ik durf te wedden dat ze allemaal uniek zijn, zullen we er met deze statistiek in slagen om de processen in kaart te brengen die deze unieke planeten gemaakt en gevormd hebben.

Plaatjes en credits:


Hoofdfoto: Impressie van verschillende exoplaneten, sommige met maantjes. Credit: DLR
Impressie van ons zonnestelsel: Wikipedia
Impressie van een verdampende planeet dichtbij zijn ster. Credit: ESA/Hubble