Ontdekt: zeven ‘aardes’ om naburige ster

Exoplaneten

Op maar 39 lichtjaar afstand draaien zeven aarde-achtige planeten om een ‘superkoele’ dwergster. Op drie van hen is vloeibaar water mogelijk. De Belgische ontdekkers hebben de ster TRAPPIST-1 genoemd.

Artist impression van een van de planeten bij TRAPPIST-1. ESO

Rond een betrekkelijk nabije dwergster in het sterrenbeeld Waterman cirkelen zeven rotsachtige planeten, waar vloeibaar water kan bestaan. Als de ster en haar gevolg ook maar enigszins maatgevend zijn voor ons Melkwegstelsel, dan wemelt het hier dus van de aarde-achtige planeten.

Vorig voorjaar al maakten Belgische astronomen bekend dat ze bij deze 39 lichtjaar verre ster, die TRAPPIST-1 wordt genoemd, drie planeten hadden ontdekt. De naam verwijst naar de relatief kleine, autonoom werkende telescoop waarmee de ontdekking is gedaan: de TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope of kortweg TRAPPIST. De ster is een ‘ultrakoele dwerg’: net zo groot als Jupiter, maar wel 80 keer zo zwaar. De oppervlaktetemperatuur van de ster is 2.500 graden, minder dan de helft van de zon.

Voorstelling van dwergster TRAPPIST-1 met zijn 7 planeten. De eerste planeten bij de ster staan zo dichtbij dat het aanwezige water verdampt. Op de middelste drie zou er water kunnen zijn. Op de planeten die het verst van de ster staan, kan er alleen ijs bestaan. Foto NASA/R. HURT/T. PYLE

Vervolgonderzoek, uitgevoerd met een heel assortiment aan telescopen op aarde en in de ruimte, heeft nu uitgewezen dat er niet drie, maar minstens zeven planeten om de dwergster cirkelen. Ze vormen een opmerkelijk compact stelsel dat qua omvang meer op het manenstelsel van de planeet Jupiter lijkt dan op ons zonnestelsel.

Vanaf de aarde gezien schuiven deze werelden met grote regelmaat voor hun ster langs, waardoor deze laatste kleine helderheidsvariaties vertoont. Waarnemingen van deze zogeheten planeetovergangen of ‘transits’ leveren informatie op over de afmetingen, omlooptijden en samenstellingen van de planeten.

Drie planeten in de leefbare zone

In een artikel dat donderdag in Nature verschijnt doet een internationaal team van astronomen, onder leiding van Michaël Gillon van de universiteit Luik, verslag van dat vervolgonderzoek. Uit de vele gegevens die in de loop van 2016 zijn verzameld, blijkt onder meer dat de planeten van aarde-achtige proporties zijn. De kleinste is ruwweg een kwart kleiner, de grootste ruim tien procent groter dan onze planeet.

Maar liefst drie van deze planeten bevinden zich binnen de ‘leefbare zone’ van de ster. Met die term bedoelen astronomen de gordel rond een ster waarbinnen de temperaturen op het oppervlak van een planeet zodanig gematigd zijn dat er water in vloeibare toestand kan voorkomen. Over de werkelijke omstandigheden op de betreffende planeten zegt dat weinig. Zo staat bijvoorbeeld niet vast of ze atmosferen hebben – dat is iets wat astronomen momenteel met de Hubble-ruimtetelescoop proberen vast te stellen.

Graphic NRC

Dat neemt niet weg dat er nog nooit zo’n groot ‘nest’ van aarde-achtige planeten bij een en dezelfde ster is ontdekt. En nog nooit zijn er bij een en dezelfde ster drie (min of meer) leefbare planeten aangetroffen. In een begeleidend commentaar in Nature wijst de Leidse astronoom Ignas Snellen, die zelf ook exoplaneten onderzoekt, erop dat de meeste sterren in de Melkweg veel kleiner en zwakker zijn dan de zon. Er zijn dus heel veel sterren als TRAPPIST-1, en dat kan betekenen dat het in ons Melkwegstelsel krioelt van zulke planetenstelsels.

Al met al is het stelsel van TRAPPIST-1 een vreemde verschijning – in vergelijking met ons eigen zonnestelsel dan. De centrale ster is een ultrakoele dwerg die negen keer zo klein is als de zon en twaalf keer zo weinig massa heeft. En haar planeten – die met de letters b tot en met h worden aangeduid – cirkelen op afstanden uiteenlopend van slechts anderhalf miljoen tot ongeveer negen miljoen kilometer om haar heen. Ter vergelijking: de afstand tussen de zon en de binnenste planeet van ons zonnestelsel (Mercurius) bedraagt ruwweg 60 miljoen kilometer.

Dat het ondanks deze kleine afstanden niet ziedend heet is op al deze planeten komt doordat de ster maar betrekkelijk weinig licht en warmte produceert. Als hun afstanden vergelijkbaar waren met de afstand zon-Mercurius, zouden ze zelfs ijskoud zijn. In hun huidige omloopbanen ontvangen de binnenste zes planeten van TRAPPIST-1 ongeveer net zoveel energie van hun ster als de binnenste vier planeten van ons zonnestelsel.

Baanresonanties

Met de omlooptijden van deze planeten, die variëren van anderhalve dag tot ruwweg drie weken, is overigens iets bijzonders aan de hand: ze verhouden zich vrijwel precies als gehele getallen. In de tijd dat planeet b acht omlopen voltooit bijvoorbeeld, maakt planeet c vijf rondjes om haar ster, en zo zijn er meer mooie combinaties.

Door deze zogeheten baanresonanties bereiken de planeten regelmatig dezelfde onderlinge posities ten opzichte van elkaar, en ondervinden ze periodiek in hetzelfde punt van hun omloopbaan elkaars zwaartekracht. Dit resulteert in kleine variaties in de tijdstippen waarop de verschillende planeetovergangen worden waargenomen.

Deze variaties stellen astronomen in staat om redelijk nauwkeurige schattingen te maken van de massa’s van de afzonderlijke planeten. Voor het TRAPPIST-1-stelsel geldt dat de massa’s van de zes binnenste planeten zodanig zijn, dat ze een rotsachtige samenstelling moeten hebben.

Voor astronomen zijn planetenstelsels als dat van TRAPPIST-1 ware goudmijnen. Omdat de planeten vrij groot zijn in vergelijking met hun moederster, zal er tijdens planeetovergangen relatief veel sterlicht door hun eventuele atmosferen heen gaan. Dat betekent dat de planeetatmosferen relatief gemakkelijk waarneembare ‘vingerafdrukken’ achterlaten in het kleurenspectrum van de ster. Op die manier kan bijvoorbeeld worden vastgesteld of deze atmosferen water(damp) bevatten.

Niet zo vreemd dus dat Gillon en zijn collega’s al druk bezig zijn met de bouw van de grotere opvolger van het TRAPPIST-systeem, dat de al even bijzondere naam SPECULOOS heeft gekregen (de afkorting van Search for Habitable Planets Eclipsing Ultracool Stars). Met dit systeem kan bij tien keer zoveel nabije dwergsterren naar planeten worden gezocht als met zijn voorganger.