Schemerzone tussen sterren en planeten is niet leeg; Zoeken naar een verre aarde

De scheidslijn tussen sterren en planeten is minder duidelijk dan tot nu toe werd gedacht. Dat is de conclusie na de spectaculaire ontdekkingen van de eerste planeetachtige objecten die tevens wat weg hebben van sterren, en van de eerste sterachtige objecten die tevens kenmerken vertonen van planeten. De eerste verkenningen in het schemergebied tussen sterren en planeten laten zien dat de kosmos méér verscheidenheid produceert dan de computermodellen van astronomen voorspellen.

Als we kijken naar de aarde en de zon, is het verschil tussen een planeet en een ster eenvoudig aan te geven: een planeet bestaat uit gesteenten en draait om een uit gas bestaande en energie producerende ster. Maar die vlieger gaat niet altijd op, want een gasplaneet als Jupiter lijkt qua samenstelling (waterstof en helium) meer op een ster, terwijl een heel kleine ster die geen energie produceert meer op een reuzenplaneet lijkt. Een veel beter onderscheid is de manier waarop beide soorten hemellichamen zijn ontstaan, maar van die processen weten astronomen nu juist nog niet het fijne af.

Sterren worden in ons melkwegstelsel geboren in enorme wolken waterstofgas. In zo'n wolk kunnen plaatselijk verdichtingen ontstaan, waardoor gas en stof onder invloed van de eigen zwaartekracht gaan samentrekken. Uit een langzaam roterend fragment ontstaat waarschijnlijk één ster, terwijl een snel roterend fragment op een bepaald moment uiteen scheurt in twee of meer delen die zich tot dubbelster of meervoudige ster ontwikkelen.

Tussen deze uitersten in ontstaat vermoedelijk een ster die is omringd door een schijf waarin door verdere contracties planeten kunnen ontstaan. Planeten als de aarde ontstaan waarschijnlijk vrij dicht bij de protoster, waar het heet is en zich relatief veel zware bestanddelen bevinden. Jupiterachtige planeten ontstaan op grotere afstand van de protoster, waar het koud is en zich ook veel lichte elementen bevinden, zoals waterstof, helium en ijsdeeltjes. Recente waarnemingen laten zien dat vele jonge sterren zijn omringd door zo'n protoplanetaire schijf.

Ondermaatse sterren kunnen een paar miljoen jaar op de fusie van deuterium (zware waterstof) teren, maar daarna koelen zij onherroepelijk af en op den duur worden zij te lichtzwak om met onze telescopen te kunnen worden opgemerkt. Daardoor konden pas in het afgelopen jaar de eerste serieuze kandidaten worden gepresenteerd: drie alleenstaande objecten en één object dat om een lichtzwakke ster draait. Omdat de massa van de kandidaten nog niet rechtstreeks is te meten, ligt de sleutel voor hun identificatie voorlopig in hun spectrum.

Sterren krijgen tijdens hun geboorte een hoeveelheid lithium mee, maar die wordt bij zelfs de koelste sterren in de loop der tijd door kernfusie geheel verbruikt. Bruine dwergen zouden daarvoor te koel zijn. Bij een van de vier kandidaten, een object in de Plejaden, heeft men onlangs dit element in het spectrum gevonden: het moet dus een bruine dwerg zijn. Het zeer zwakke signaal werd gedetecteerd met de Keck-telescoop op Hawaii, die met zijn spiegeldiameter van 10 meter momenteel de meest lichtsterke telescoop op aarde is.

Bruine dwerg

In december werd bekend gemaakt dat in het spectrum van een andere kandidaat, de begeleider van de ster Gliese 229, kenmerken van methaan en zelfs van water zijn gedetecteerd. De temperatuur moet daartoe onder de 1000 K liggen, ver onder de 1800 K van de allerkoelste rode dwergsterren. De begeleider is dus een bruine dwerg (Science 270, p. 1478). Het spectrum van Gliese 229B lijkt in verschillende opzichten op het spectrum van de planeet Jupiter. Zou deze koele gasbol geen reuzenplaneet kunnen zijn? Dat is onwaarschijnlijk. De massa van de begeleider wordt door de onderzoekers via een omweg geschat op 20 tot 50 maal die van Jupiter en recente berekeningen aan het proces van planeetvorming laten zien dat er bij sterren als de zon planeten met een massa tot hooguit tienmaal die van Jupiter zouden kunnen ontstaan.

Al vele jaren wordt naar planeten elders in het heelal gezocht. Voorlopig moet men zich beperken tot kandidaten die minstens even zwaar zijn als Jupiter, omdat lichtere planeten zich met de huidige technieken niet laten verschalken. Groot was daarom de verrassing toen twee jaar geleden bij een ster twee planeten werden ontdekt met een massa van slechts drie maal die van de aarde. De detectie van deze lichte planeten was mogelijk doordat de ster geen gewone ster is, maar een neutronenster: een extreem compact object dat 160 maal per seconde om zijn as wentelt en in dit tempo ook pulsjes radiostraling uitzendt. Uit minieme variaties in de aankomsttijden van de pulsen van deze kosmische klok leidde de Amerikaanse astronoom Alexander Wolszczan af dat er aan dit object door twee lichte begeleiders wordt getrokken. Een pulsar was wel het allerlaatste object waar men planeten zou verwachten. Het proces van planeetvorming bij zo'n pulsar is niet representatief voor dat bij 'gewone' sterren, zoals de zon.

Volgens de huidige theorieën over het ontstaan van een 'gewoon' planetenstelsel is zo'n stelsel in het algemeen kleiner naarmate de massa van de ster groter is - en omgekeerd. De minimale afstand (tot de ster) waarop zich nog een planeet kan vormen hangt mede af van de hoeveelheid straling die de ster uitzendt. Waar het heter is dan 2000 K, kunnen er geen planeten ontstaan: de straling van de ster veroorzaakt in de protoplanetaire schijf een 'gat' waarin geen stof kan samenklonteren.

Zo is er ook een binnengrens voor het ontstaan van gasreuzen zoals Jupiter. Astronomen denken dat zulke planeten zijn gegroeid rond grote kernen van gesteenten en ijsdeeltjes en die kunnen alleen zijn ontstaan waar het in de protoplanetaire nevel koeler was dan 250 K. Opnieuw was daarom de verbazing groot toen (in oktober) door twee astronomen van de sterrenwacht van Genève bekend werd gemaakt dat bij 51 Pegasi, een ster zoals onze zon, een planeet was ontdekt. Die planeet is ongeveer even zwaar als Jupiter, maar draait op een afstand van slechts acht miljoen km rond de ster: verplaatst naar ons zonnestelsel ver binnen de baan van Mercurius. De ontdekkers suggereren dat de planeet misschien is ontstaan als bruine dwerg en in de loop van de tijd gedeeltelijk door de ster is verdampt.

In januari maakten Geoffrey Marcy en Paul Butler, van de San Francisco State University, bekend bij twee andere sterren een planetaire begeleider te hebben ontdekt. De ene is minstens drie maal zo zwaar als Jupiter en draait in bijna drie jaar om de ster 47 Ursae Majoris. Verplaatst naar ons zonnestelsel zou hij zich bij de baan van Mars bevinden. De andere kandidaat is minstens 6,5 maal zo zwaar als Jupiter en draait in 117 dagen om 70 Virginis. In ons zonnestelsel zou hij tussen de banen van Mercurius en Venus staan. (Science 271, p. 449).

Reuzenplaneten

Misschien zijn deze planeten de grootste vertegenwoordigers van echte planetenstelsels waarin zich nog een hele serie kleinere planeten verborgen houden. Het probleem met deze mysterieuze 'reuzenplaneten' is dat ze niet direct kunnen worden waargenomen, hun aanwezigheid wordt afgeleid uit hun aantrekkingskracht op de sterren waar zij omheen draaien. Omdat we de planeten niet kunnen zien, is het ook niet mogelijk om hun spectrum te bestuderen en op grond daarvan iets te zeggen over hun samenstelling en herkomst en verschil met een bruine dwerg.

De speurtocht naar planeten bij andere sterren heeft dus al bij de eerste successen verrassingen opgeleverd. Het onderscheid tussen (reuzen)planeten en sterren blijkt minder duidelijk dan men tot nu toe dacht en tussen beide werelden is geen 'lege' zone, zoals theoretici hadden voorspeld. Astronomen zijn naarstig aan het uitzoeken of de huidige modellen van het ontstaan van planetenstelsels zodanig kunnen worden bijgesteld, dat de nieuwe kandidaten wèl kunnen worden verklaard. Misschien kunnen reuzenplaneten wel op twee manieren ontstaan: in interstellaire wolken (zoals sterren en bruine dwergen) en in protoplanetaire schijven (zoals de aarde): theoretici hebben de eerste mogelijkheid nooit helemaal uitgesloten. En altijd is er de mogelijkheid dat ons zonnestelsel helemaal niet representatief is voor de situatie bij andere sterren.