Sombere vooruitzichten voor planeetzoekers

Veel astronomen nemen aan dat ons planetenstelsel niet uniek is. Er is geen enkele reden waarom er bij andere sterren géén planeten zouden ontstaan. Al lange tijd wordt er - door een klein aantal astronomen - naar planeten elders in het heelal gezocht. Planeten zo klein als de aarde laten zich niet verschalken, maar misschien wel een planeet ter grootte van Jupiter. Succes is tot nu toe echter uitgebleven en nu wijzen drie astronomen er op dat zelfs de kans om een tweede 'Jupiter' te vinden misschien wel erg klein is.

Het aantonen van de aanwezigheid (of het ontbreken) van planeten bij andere sterren is niet alleen interessant voor de speculaties over leven elders in het heelal, maar ook voor het onderzoek naar het ontstaan van ons zonnestelsel. De theorieën hierover bevatten nog vele onzekerheden, die misschien kunnen worden opgelost als men weet hoe frequent planeten bij sterren ontstaan en hoe dit samenhangt met bijvoorbeeld het type ster.

Er zijn twee technieken die de meeste kansen bieden op het verschalken van een Jupiter-achtige planeet bij een andere ster. De eerste methode is het zoeken naar mogelijke variaties in de snelheid van een ster in de waarnemingsrichting, de zogeheten radiële snelheid. De tweede methode is het zoeken naar een mogelijke schommeling in de rechtlijnige verplaatsing van een ster ten opzichte van andere sterren aan de hemel: de zogeheten eigenbeweging.

Draait er een flinke planeet om een ster, dan trekt die de ster een beetje heen en weer: beide draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt. Wijst het baanvlak van de planeet ruwweg naar de aarde, dan zal de radiële snelheid van de ster periodiek veranderen. Staat het baanvlak van de planeet ongeveer loodrecht op de waarnemingsrichting, dan krijgt zijn eigenbeweging een golfvorm.

De snelheidsvariatie is af te leiden uit de dopplerverschuiving van de lijnen in het spectrum van de ster. Een golfbeweging komt aan het licht na het meten van de posities van de ster op foto's die met bepaalde tussenpozen zijn gemaakt. Bij beide methoden hangt de succeskans mede af van de straal van de baan van de planeet. Staat de planeet dicht bij de ster, dan draait hij er snel omheen en gooien snelheidsmetingen de hoogste ogen. Staat de planeet ver van de ster, dan hebben positiemetingen de beste papieren (Science 267, p. 360).

In het verleden is al vele malen melding gemaakt van de ontdekking van een of meer Jupiter-achtige planeten bij andere sterren. Maar als die metingen door anderen werden voortgezet, bleek zo'n planeet meestal als sneeuw voor de zon te verdwijnen. Hoewel nu de eigenbeweging van al meer dan twintig 20 sterren nauwkeurig is bestudeerd, zijn er geen tekenen gevonden van planeten met een massa van 1 tot 3 maal die van Jupiter.

Ster van Barnard

Ook de Hubble Space Telescope heeft in de afgelopen paar jaar de eigenbeweging gemeten van twee nabije sterren: Proxima Centauri (afstand 4,3 lichtjaar) en de Ster van Barnard (6 lichtjaar). Ook bij hen werden geen tekenen van een planetaire begeleider gevonden: en dat terwijl de Ster van Barnard altijd als de beste kandidaat daarvoor was beschouwd. De Amerikaans-Nederlandse astronoom Peter van de Kamp meende er zelfs twee planeten te hebben gevonden.

Ook de metingen aan de radiële snelheid van sterren hebben nog niets concreets opgeleverd. Met behulp van de huidige detectoren zou het mogelijk moeten zijn om begeleiders te signaleren met een massa van die van Jupiter of wat meer. Uit de tot nu toe negatieve resultaten leidt men af dat minder dan 5 procent van sterren als de zon een begeleider heeft met een massa van driemaal die van Jupiter of meer.

Heeft ons zonnestelsel dan toch iets unieks, in die zin dat een planeet ter grootte van die van Jupiter bijzonder is? Misschien wel, menen de Amerikaanse astronoom Ben Zuckerman en zijn collega's T. Forveille en J.H. Kastner. Zij wijzen er op dat het ontstaan van aardachtige planeten misschien een normaal verschijnsel is, maar dat 'noch uit de theorie noch uit waarnemingen blijkt dat er tijdens het ontstaan van een planetenstelsel tevens vaak gasreuzen als Jupiter zouden moeten ontstaan' (Nature 373, p. 470).

Bedaarde zon

Heel jonge sterren zijn vaak omringd door een schijf van gas en stof: het materiaal waaruit planeten ontstaan. Berekeningen aan de ontwikkeling van zulke protoplanetaire schijven bevestigen dat ontstaansproces. De berekeningen laten zien hoe zich in het centrum van zo'n schijf voldoende gas samentrekt om een ster te creëren en hoe zich in de meer buitenwaarts gelegen delen door contracties planeetembryo's ontstaan, die door verdere aangroei volwassen planeten worden.

Nu blijken zich rond volwassen sterren als de zon nog maar heel geringe hoeveelheden gas te bevinden. Het gas dat na het ontstaan van planeten overbleef werd weer de ruimte in geblazen. De huidige, bedaarde zon is daartoe niet meer in staat. Het gas moet dus zijn weggeblazen tijdens de eerste, minder stabiele paar miljoen jaar van het leven van een ster.

Dit betekent echter ook dat een planeet als Jupiter (of Saturnus), die voor het grootste deel is opgebouwd uit gas (waterstof en helium), kosmisch gesproken heel snel moet zijn ontstaan: anders zou er voor hem niet meer voldoende materiaal beschikbaar zijn geweest. Modelberekeningen suggereren dat Jupiter in de loop van zo'n tien miljoen jaar is ontstaan. Is dit voldoende snel om de niets ontziende schoonmaakwoede van de jonge, instabiele zon vóór te blijven?

Ben Zuckerman en zijn collega's hebben de hoeveelheden gas bepaald die zich nu bevinden rond 20 nabije sterren. Deze sterren zitten in de leeftijdscategorie van één tot tien miljoen jaar, dus in de periode waarin er gasplaneten zouden kunnen ontstaan. De gevonden hoeveelheden gas variëren van een fractie van de massa van de aarde tot een paar honderd maal die massa. Dit wijst er op dat een ster als de zon vaak al een paar miljoen jaar na zijn ontstaan veel minder waterstof om zich heen heeft dan de massa van Jupiter.

Zouden gasreuzen zoals Jupiter ook bij andere sterren veel voorkomen, dan betekent dit dat zij nòg sneller moeten ontstaan dan de huidige modellen suggereren. Is zo'n supersnelle geboorte niet mogelijk, dan heeft onze planeet Jupiter geluk gehad en zullen grote planeten bij andere sterren veel zeldzamer zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Dat verklaart misschien het uitblijven van succes bij het zoeken naar zulke planeten. De vooruitzichten op het detecteren van planeten bij andere sterren zouden dan opeens een stuk somberder worden.

Pulsarbegeleiders

De enige ster die planetaire begeleiders lijkt te hebben is een pulsar. Het is een extreem compact sterretje met een straal van 10 km dat 160 maal per seconde om zijn as wentelt en in dit tempo ook pulsen radiostraling uitzendt. Uit minieme variaties in de aankomsttijden van deze pulsen heeft de Amerikaanse astronoom Alex Wolszcan afgeleid dat dit sterretje wordt vergezeld door minstens twee begeleiders, met een massa van ongeveer drie maal die van de aarde. Vooralsnog kan men zich echter heel moeilijk voorstellen dat er bij een pulsar - het restant is van een ster-explosie - planeten kunnen ontstaan: een pulsar was wel het allerlaatste soort ster waaraan men had gedacht!