Klein sterretje met een reusachtige exoplaneet

Astronomie Het bestaan van een grote exoplaneet bij een kleine ster valt niet te rijmen met gangbare theorieën over planeetvorming.

De koepel van de telescoop in Spanje waar de CARMENES-spectrograaf is geïnstalleerd.
De koepel van de telescoop in Spanje waar de CARMENES-spectrograaf is geïnstalleerd. Foto Pedro Amado/Marco Azzaro/IAA/CSIC

Bij een jarenlange speurtocht naar planeten bij kleine, koele sterren is een bijzondere ontdekking gedaan. Rond het sterretje GJ 3512, dat bijna tien keer zo weinig massa heeft als onze zon, draait een planeet die 150 keer zoveel massa heeft als de aarde. Het bestaan van deze fors uitgevallen exoplaneet laat zich niet zo gemakkelijk verklaren.

GJ 3512 is een zogeheten rode dwerg – de term die astronomen gebruiken voor de kleinste en koelste soortgenoten van onze zon. Rode dwergen zijn heel talrijk: ruwweg driekwart van de sterren in onze Melkweg behoort tot deze categorie. GJ 3512 staat op een afstand van 31 lichtjaar in het sterrenbeeld Grote Beer.

Door hun relatief geringe massa worden rode dwergsterren vrij gemakkelijk aan het ‘schommelen’ gebracht als er planeten omheen cirkelen. Astronomen kunnen deze schommelbeweging detecteren met behulp van een zogeheten spectrograaf. In dit geval is dat gebeurd met de CARMENES-spectrograaf van de 3,5-metertelescoop van de Calar Alto-sterrenwacht in het zuiden van Spanje.

Omlooptijd van 204 dagen

Uit de schommelbeweging van GJ 3512 wordt afgeleid dat er waarschijnlijk twee planeten om deze rode dwerg draaien. Het sterkste ‘signaal’ is dat van een planeet die minimaal de helft van de massa heeft van Jupiter, de grootste planeet van ons zonnestelsel. Deze planeet – GJ 3512 b – doorloopt een langgerekte baan met een omlooptijd van 204 dagen.

Zowel de grote massa van deze planeet als diens langwerpige omloopbaan vraagt om een verklaring. Modelberekeningen laten zien dat onderlinge interacties tussen planeten de meest waarschijnlijke oorzaak van zo’n afwijkende planeetbaan zijn. Dat er nog een tweede (‘lichtere’) planeet om GJ 3512 lijkt te draaien, past dus goed in dit plaatje. Deze planeet kan overigens niet de directe oorzaak van de langwerpige omloopbaan van GJ 3512 b zijn. Waarschijnlijk was er nog een derde planeet bij betrokken, die uit het planetenstelsel is weggeslingerd.

De verklaring voor de grote massa van GJ 3512 b ligt minder voor de hand. Volgens het meest gangbare scenario verloopt de ‘bouw’ van een reuzenplaneet in twee stappen. Eerst vormt zich, door samenklontering van vast materiaal dat rond een ster is achtergebleven, een kern van ijs en gesteente. Zodra die kern minstens vijf keer zoveel massa heeft als de aarde, kan deze in hoog tempo waterstof- en heliumgas uit zijn omgeving aantrekken.

Alternatief scenario

Uit berekeningen blijkt echter dat het bij de eerste stap al misgaat bij sterren die zo weinig massa hebben als GJ 3512 – de vorming van een forse planeetkern. De eenmaal gevormde kern zou al heel snel naar de binnenste begrenzing van de gordel van materie rond de ster migreren, waardoor zijn verdere groei stagneert.

Het grote team van voornamelijk Spaanse astronomen dat bij de vrijdag in Science gepubliceerde onderzoeksresultaten betrokken is, denkt dan ook dat het standaardscenario in dit geval niet opgaat. Zij zoeken de verklaring bij een alternatief scenario, waarbij de vorming van een ‘groeikern’ wordt overgeslagen.

Wanneer de protoplanetaire schijf rond een ster maar voldoende massa heeft en koud genoeg is, kan deze spontaan gaan fragmenteren. Daarbij ontstaan op verschillende plaatsen in de schijf massaconcentraties die onder hun eigen gewicht kunnen samentrekken tot planeten. Dat is waarschijnlijk niet de manier waarop ‘onze’ planeet Jupiter is gevormd, maar voor de vorming van GJ 3512 lijkt de fragmentatiehypothese voorlopig wel de beste verklaring.