Biljoenen planeten bij ver sterrenstelsel

Astronomie Een sterrenstelsel op 3,8 miljard lichtjaar bevat wel 2.000 zwerfplaneten voor elke ster. Dat is afgeleid uit schommelingen in quasarlicht.

Gecombineerd zichtbaar licht- en röntgenbeeld van systeem RX J1131-1231. De vier ‘diamanten in de ring’ (drie links, één rechts) in het stelsel zijn gravitatielensafbeeldingen van een quasar. Uit vergelijking van de vier afbeeldingen bleek dat het sterrenstelsel biljoenen zwerfplaneten moet tellen. Foto NASA

Duizenden planeten zijn er de afgelopen twintig jaar ontdekt rond sterren van ons eigen Melkwegstelsel. Maar twee astronomen van de Universiteit van Oklahoma denken nu ook planeten te hebben opgespoord in een sterrenstelsel 3,8 miljard lichtjaar hiervandaan. En niet zomaar een paar planeten: het zouden er vele biljoenen zijn. Ze verraden hun bestaan door de natuurlijke lenswerking die zij uitoefenen op het licht van een nog verder verwijderde quasar.

Het draait bij deze ontdekking om RX J1131-1231, een quasar op ongeveer 6 miljard lichtjaar van de aarde. Een quasar is de extreem heldere kern van een sterrenstelsel. In die kern huist een zwart gat van kolossale massa dat materie uit zijn omgeving aantrekt. Deze materie verdwijnt doorgaans niet rechtstreeks het zwarte gat in, maar spiraalt daar geleidelijk naartoe. Daarbij vormt zich een schijf van ziedend hete materie rond het zwarte gat, de zogeheten accretieschijf, die onder meer intense röntgenstraling uitzendt.

Door een gelukkig toeval staat een ander sterrenstelsel vrijwel precies vóór deze quasar, vanaf de aarde gezien. En net als alle objecten met massa kromt dat sterrenstelsel de omringende ruimte. Hierdoor wordt licht dat vlak langs het stelsel gaat, afgebogen alsof het door een lens is gegaan. Kortom: het tussenliggende stelsel fungeert als ‘zwaartekrachtlens’.

Een goede lens is zo’n zwaartekrachtlens eigenlijk niet. De afbuiging resulteert vaak in meervoudige afbeeldingen die een ring – of delen daarvan – rond het als lens fungerende sterrenstelsel vormen. In dit specifieke geval zijn in die ring vier afbeeldingen van de eigenlijke quasar te zien. Op de foto hiernaast, die is opgebouwd uit opnamen van de ruimtetelescopen Hubble en Chandra, zijn deze heldere quasarbeelden goed te zien (drie links, één rechts).

De in 1999 gelanceerde Chandra-ruimtetelescoop registreert geen zichtbaar licht, maar röntgenstraling. De afgelopen tien jaar is hij tientallen keren op RX J1131-1231 gericht en daarbij is geconstateerd dat de energie (de ‘kleur’) van een bepaald type röntgenstraling dat door deze quasar wordt uitgezonden fluctuaties vertoont. Dit geldt voor alle vier de quasarbeelden, maar niet voor alle beelden even vaak en in dezelfde mate.

Dat laatste wijst erop dat de oorzaak van de gedetecteerde fluctuaties buiten de eigenlijke quasar moet worden gezocht. Xinyu Dai en Eduardo Guerras van de Universiteit van Oklahoma zoeken die oorzaak nu in hetzelfde lensstelsel dat ook verantwoordelijk is voor de meervoudige quasarbeelden. Daar geven ze verschillende argumenten voor, waaronder de constatering dat zulke röntgenfluctuaties niet waarneembaar zijn bij quasar-achtige objecten waar geen ‘lens’ voor staat.

Net als andere sterrenstelsels bestaat het lensstelsel uit honderden miljarden sterren van uiteenlopende massa’s die stuk voor stuk als ‘zwaartekrachtlensjes’ werken. Officieel heten deze lensjes microlenzen. Al die microlenzen zijn voortdurend in beweging. Ze doorlopen banen om het centrum van hun sterrenstelsel en hebben daarnaast ook een zekere eigenbeweging. Als zo’n microlens voor de quasar langs schuift, wordt de quasar vanaf de aarde gezien in de loop van enkele dagen helderder en zwakker.

Berekeningen laten zien dat de frequente energievariaties in het röntgenlicht van de quasar inderdaad door microlenzen veroorzaakt kunnen worden, mits deze maar talrijk genoeg zijn. Om te onderzoeken hoe die populatie van kleine afzonderlijke objecten c.q. microlenzen er dan uit zou moeten zien, hebben de beide astronomen modelberekeningen gedaan met een supercomputer.

Eerst hebben ze een plausibel mengsel van sterren en bruine dwergen (‘mislukte’ sterren met weinig massa) genomen en berekend wat het effect daarvan zou zijn. De conclusie was dat deze mix tekortschiet: hij kan de waargenomen röntgenfluctuaties lang niet volledig verklaren.

Eenzaam in interstellaire ruimte

De waarnemingen konden alleen worden gereproduceerd door planeten aan de populatie toe te voegen. Daarbij is vooral gekeken naar vrij ronddolende planeten – planeten dus die niet om een ster cirkelen, maar eenzaam door de interstellaire ruimte zwerven. De bijdrage van een om een ster cirkelende planeet is verwaarloosbaar, omdat de bijbehorende ‘microlens’ binnen die van de moederster valt.

De waargenomen röntgenfluctuaties laten zich het best evenaren met een populatie waarin planeten veel talrijker zijn dan sterren. Uitgaande van een plausibele massaverdeling, zouden er voor elke ster in het lensstelsel minstens 2.000 ronddolende planeten moeten zijn, met massa’s die uiteenlopen van de massa van onze maan tot die van de planeet Jupiter. Ook 200 planeten (per ster) met massa’s tussen die van de planeten Mars en Jupiter zouden volstaan. Hoe dan ook gaat het om enorme aantallen.

Omdat dit alles zich afspeelt in een sterrenstelsel op 3,8 miljard lichtjaar van de aarde, laat deze conclusie zich niet rechtstreeks verifiëren. Van zo’n grote afstand zijn zelfs de sterren van een sterrenstelsel niet afzonderlijk waarneembaar, laat staan de daartussen ronddolende planeten.

Toch lijkt de uitkomst van het op 1 februari in The Astrophysical Journal Letters gepubliceerde onderzoek niet onaannemelijk. Het ontstaan van een planetenstelsel is nu eenmaal een rommelig proces, waarbij veel planetaire ‘bouwstenen’ en zelfs complete planeten de ruimte in worden geslingerd.

Op basis van theoretische overwegingen kwam een team van astronomen in 2012 zelfs tot de conclusie dat het totale aantal planetaire objecten van uiteenlopende massa’s dat in onze Melkweg zou rondzwerven op 100.000 per ster komt. Daarbij vergeleken is het nu geschatte aantal van 2.000 planeten per ster dus helemaal niet zo uitzonderlijk – eerder bescheiden.

    • Eddy Echternach