Buitenbollen

Deze zomer zijn exoplaneten van het formaat Neptunus waargenomen. Eerdere exemplaren waren veel groter. Is er een tweede aarde op komst?

EIND AUGUSTUS maakten Europese en Amerikaanse astronomen bekend dat zij bij drie sterren een Neptunus-achtige planeet hadden ontdekt. Deze planeten zijn tweemaal zo licht als de tot nu toe ontdekte lichtste exoplaneten en zouden een soort `super-aarden' kunnen zijn. Het zou niet zo lang hoeven duren voordat bij een andere ster een echte `aarde' wordt ontdekt. Maar hier is de wens de vader van de gedachte. Volgens sommige astronomen zou het toenemende aantal exoplaneten er eerder op wijzen dat ons zonnestelsel vrij uniek is en dat we misschien nog lang moeten wachten voordat een echte exo-aarde wordt gevonden.

In de afgelopen tien jaar zijn al meer dan 120 planeten bij andere sterren ontdekt. Minstens veertien sterren hebben zelfs twee of meer planeten. Geen enkele planeet is ooit gezien. Hun bestaan wordt afgeleid uit variaties in de spectroscopisch gemeten snelheid van de ster. De grootte en periode van zo'n variatie geeft een indruk van de massa van de planeet. Omdat van de meeste planeten de oriëntatie van hun baan niet bekend is, zijn dat minimum-massa's. Bij het handjevol begeleiders waarvan de oriëntatie wel bekend is (bijvoorbeeld doordat zij vóór de ster langs bewegen en diens helderheid verminderen), kan de werkelijke massa worden berekend.

De meeste exoplaneten zijn gasbollen van het formaat van Jupiter of (veel) zwaarder. Dit ligt voor een deel aan het feit dat de gebruikte opsporingstechniek zware objecten het eerst signaleert. De lichtste exoplaneet was tot voor kort van de gewichtsklasse van Saturnus, maar eind augustus verschenen drie lichtere exemplaren op het toneel. Europese astronomen maakten toen bekend bij de ster Mu Arae een planeet met het gewicht van Uranus te hebben ontdekt: hun officiële publicatie verschijnt in Astronomy & Astrophysics. En Amerikaanse astronomen presenteerden twee planeten van de gewichtsklasse van Neptunus bij de sterren 55 Cancri en GJ 436 (Astrophysical Journal Letters, 10 oktober en 10 december). Deze nieuwkomers zijn het resultaat van de komst van spectrografen die variaties van één meter per seconde in de snelheid van sterren kunnen meten.

Alle gevonden exoplaneten zijn niet alleen reuzenplaneten, maar blijken ook op heel korte afstand rond hun ster te draaien. Hun vaak zeer langgerekte baan is vrijwel altijd kleiner dan de baan van de aarde en in vele gevallen zelfs kleiner dan die van Mercurius, de binnenste planeet van ons zonnestelsel. De meest extreme exemplaren draaien in slechts enkele dagen op nog geen vijf miljoen kilometer rond hun ster. Hun oppervlak is zo heet heter dan 1000 °C dat zij voortdurend gas verliezen en op den duur dreigen te verdampen. Misschien zijn de nu ontdekte exo-Neptunussen ook aan het verdampen. Astronomen worstelen nu met de vraag hoe deze reuzenplaneten zo dicht bij hun ster konden ontstaan, of wanneer ze op grotere afstand ontstonden er zo dicht bij zijn gekomen.

Vóór de ontdekking van de eerste exoplaneet, in 1995 door de Zwitserse astronomen Michel Mayor en Queloz Didier, had de theorie van het ontstaan van planeten alleen betrekking op ons zonnestelsel. Volgens deze theorie, waarvan de basis al in de 18de eeuw werd gelegd, ontstonden de planeten in een schijf van gas en stof die zich rond de protozon had gevormd. Hierin vormden zich eerst klonters van vaste deeltjes (zoals komeetkernen en planetoïden), die daarna samensmolten tot planeten. Op grotere afstand van de zon groeiden de protoplaneten door het aantrekken van grote hoeveelheden gas verder aan tot zwaargewichten: de gasreuzen Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus.

omloopbanen

Met deze theorie kunnen echter niet de langgerekte en kleine omloopbanen van de nu al meer dan 120 ontdekte exoplaneten worden verklaard. In dit opzicht lijkt ons planetenstelsel uniek. Sommige astronomen denken dat stelsels als het onze wel veel in het heelal zullen voorkomen, maar dat we ze nog niet hebben ontdekt. Door de gebruikte meettechniek zouden alleen de uitzonderingen zijn gevonden en het zou dus slechts een kwestie van tijd zijn voordat een planetenstelsel als het onze wordt ontdekt. Andere astronomen suggereren echter dat de exoplaneten op een heel andere manier zijn ontstaan dan de planeten in ons zonnestelsel, of dat ons planetenstelsel en de exoplaneten twee uitersten van één ontstaansproces zijn.

koele dwergen

Enkele jaren geleden suggereerde de Amerikaanse astronoom David Black dat grote exoplaneten op dezelfde manier zijn ontstaan als sterren, dat wil zeggen door plaatselijke contracties in dichte wolken interstellair gas. Hierbij ontstaan ook gasbollen die te licht zijn om via waterstoffusie energie te produceren en dus geen echte ster worden. Zulke koele bruine dwergen kunnen zelfstandig ontstaan, maar ook als begeleider van een echte ster. Vele bruine dwergen hebben een massa die vergelijkbaar is met die van de zwaarste exoplaneten: misschien zijn die `planeten' dus via het proces van stervorming ontstaan. Ze zouden dan niet zoals Jupiter een vaste kern hebben.

Volgens een andere, recentere theorie ontstaan exoplaneten wel in een schijf van gas en stof rond een ster, maar wordt de aanzet tot dit proces gegeven door een zogeheten `gravitationele instabiliteit'. Een plotselinge verandering in het tempo van de afkoeling en/of dichtheid van de schijf zou deze instabiel maken en doen fragmenteren, waarbij de afzonderlijke fragmenten onder invloed van hun eigen zwaartekracht samentrekken tot planeten. Zo'n instabiliteit zou tot stand kunnen worden gebracht door de passage van een naburige ster of bruine dwerg, iets wat in een gebied waar vele sterren ontstaan en door elkaar heen bewegen niet ongewoon zou zijn (Astrophysical Journal 609, 10 juli).

Volgens Martin Beer, een astrofysicus van de universiteit van Leicester in Engeland, kunnen de exotische banen van de exoplaneten met behulp van deze theorie goed kunnen verklaard. Maar het ontstaan van ons zonnestelsel en met name van de aardachtige planeten en de kernen van reuzenplaneten laat zich daarmee moeilijker verklaren. Wanneer dit mechanisme heeft gedomineerd bij het ontstaan van exoplaneten, zou dit betekenen dat we bij hun sterren weinig of geen aardachtige planeten kunnen verwachten. En dat zou weer impliceren dat de aarde en ons planetenstelsel unieke creaties zijn. Het artikel dat Beer en zijn collega's hierover voor de Monthly Notices (van the Royal Astronomical Society) hebben geschreven, heeft dan ook de toepasselijke titel: `How Special is the Solar System?'