Van de ruwweg 6.000 exoplaneten die we hebben ontdekt, bevindt een aanzienlijk aantal zich in de schijnbare bewoonbare zones van hun sterren. De meeste zijn reuzenplaneten; gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus, of ijsreuzen zoals Uranus en Neptunus. Zouden sommige daarvan bewoonbare exomonen kunnen hebben? Op de reuzenplaneten van ons zonnestelsel kan geen leven bestaan. Sommige van hun manen zijn echter belangrijke doelwitten geworden in de zoektocht naar leven. Dit leidt tot een logische vraag: Zouden reusachtige exoplaneten in bewoonbare zones rond andere sterren bewoonbare manen kunnen hebben? Astronomen hebben slechts prikkelende hints van exomonen ontdekt, ook al is hun bestaan zo goed als zeker. Volgens de theorie is maanvorming een natuurlijk proces. Het vinden van exoplaneten is moeilijk, ook al zijn we eraan gewend geraakt, en het vinden van hun manen is nog moeilijker.
Onderzoekers uit Hongarije en Nederland wilden bestuderen hoe exomonen zich zouden kunnen vormen rond verre, reuzenplaneten om inzicht te krijgen in hun bestaan. Hun onderzoek is getiteld “Grand Theft Moons: Formation of habitable moons around giant planets,” en het zal worden gepubliceerd in Astronomy and Astrophysics. De hoofdauteur is Zoltán Dencs van het HUN-REN onderzoekscentrum voor astronomie en aardwetenschappen. “We willen de maanvorming rond reuzenplaneten bestuderen in een fase die vergelijkbaar is met de eindfase van de planeetvorming”, schrijven de auteurs. “We zoeken naar omstandigheden voor het vormen van de grootste manen met de grootste kans in circumplanetaire schijven, en onderzoeken of de resulterende manen bewoonbaar kunnen zijn.” Het begint met circumplanetaire schijven, de roterende verzameling materiaal die overblijft nadat een planeet is gevormd. De onderzoekers gebruikten simulaties om te bepalen welk deel van dat materiaal succesvol manen kan vormen. In dit geval richtten de onderzoekers zich op de meest massieve manen.
“We bepaalden de fractie van de massa van de circumplanetaire schijf die wordt omgezet in manen met behulp van numerieke N-body simulaties waarbij maanembryo's groeien via embryo-satellitesimaal botsingen,” schrijven de onderzoekers. Ze onderzochten de schijven rond reuzenplaneten waar 100 maanembryo's in wisselwerking staan met 1000 satellietenimalen. De planeten waren 461 bekende reuzenplaneten uit een exoplaneetdatabase. Een bewoonbare zone voor planeten hangt af van de straling van de ster. Met genoeg energie kan er vloeibaar water op het oppervlak van een planeet blijven bestaan, mits de juiste atmosferische omstandigheden en andere factoren aanwezig zijn. Voor manen is de formule een beetje anders. In ons zonnestelsel hebben ijzige manen zoals Europa en Enceladus waarschijnlijk vloeibaar water onder een bevroren kap, maar de warmte komt van getijdenwerking. De onderzoekers namen die warmte mee in hun simulaties. “Om de bewoonbaarheid van de synthetische manen te bepalen, berekenden we de stellaire instraling en getijdenwarmteflux op deze manen op basis van hun baanparameters en fysische parameters,” schrijven de auteurs. “De globale energieflux op de manen kan aanzienlijk worden beïnvloed door getijdeverwarming, die afkomstig is van de getijde-energiedissipatie van de planeet-maan interacties,” leggen ze uit. Zoals ons zonnestelsel laat zien, wordt getijdenwarmte belangrijker naarmate een maan verder van zijn ster staat.
Deze ALMA-opname uit 2019 toont de circumplanetaire schijf rond exoplaneet PDS 70c, de puntvormige bron aan de rechterkant.
Dit was de eerste keer dat astronomen zo'n schijf zagen en de ontdekking valideerde theorieën over planeet- en maanvorming.
Foto: ALMA
De simulaties van het team hadden betrekking op circumplanetaire schijven in de laatste fase van maanvorming. Om het eenvoudig te houden, gebruikten ze alleen rotsachtige lichamen en schijven zonder gas. “De schijven bestaan uit maanembryo's ingebed in een zwerm satellieten en de enige kracht die in de berekening wordt meegenomen is de zwaartekracht,” schrijven ze. Alle objecten - de ster, de planeet, de embryo's en de satellieten - hebben een gravitationele wisselwerking. De simulaties lieten botsingen tussen embryo's en satellieten toe, maar geen botsingen tussen satellieten. Ook werden warme en koude schijven meegenomen, evenals andere factoren zoals de excentriciteit en de helling van embryo's en satellieten. Toen lichamen in de simulatie op elkaar reageerden, waren er vier verschillende resultaten. In het eerste resultaat combineerden de objecten en voegden ze hun massa samen. In het tweede voegt de planeet het hemellichaam samen. In het derde wordt het hemellichaam door de ster geabsorbeerd. In het vierde wordt het hemellichaam uit het systeem geslingerd. Alleen het eerste resultaat vormt exomanen. De simulatie omvatte twee tijdschalen: het aantal planeetbanen rond de ster en het aantal banen voor de proto-satellieten in de omringende planeetschijf. De eerste is stellair-gecentreerd (SC) en de tweede is planeet-gecentreerd (PC). De eerste vraag betreft het massaverlies. Behouden de schijven genoeg massa om bewoonbare manen te vormen? De onderzoekers ontdekten dat de hele omringende schijf in de loop van de tijd massa verliest. Naarmate sommige embryo's massiever worden, wordt door hun verstoringen massa aan de schijf onttrokken, waardoor de totale embryomassa krimpt.
Het grootste massaverlies treedt op wanneer de exomanen zich in koude schijven binnen 1 AE van de ster bevinden, zoals paneel A hierboven laat zien. In die situatie verliest de schijf tussen 30% en 40% van zijn massa. Paneel B laat zien dat embryo's weliswaar massa verliezen in de simulatie met de planeet als middelpunt, maar dat dit niet zo extreem is. Ze behouden meer dan 90% van hun oorspronkelijke massa. De simulaties geven veel meer details, maar de resultaten laten zien dat exomanen zich zouden moeten vormen en blijven in circumplanetaire schijven rond reuzenplaneten. Dit ondanks massaverlies, ejecties en embryo's die door de ster of de planeet worden geabsorbeerd. Naarmate de stellaire afstand toeneemt, stijgt het aantal manen. Hun beginmassa is echter kleiner. Naarmate de massa van de exomanen toeneemt, gaan er meer verloren aan stellaire diefstal. “Door deze twee factoren wordt de hoogste efficiëntie in maanvorming waargenomen voor de planeet die op twee au stellaire afstand draait,” schrijven de auteurs. Bewoonbaarheid is een vraag apart, en de simulaties hadden een aantal interessante resultaten.
Boven ongeveer één au wordt getijverwarming de primaire verwarmingsbron voor bewoonbare exomanen. De simulaties toonden ook aan dat voorbij twee au het aantal bewoonbare exomanen drastisch afneemt omdat de bewoonbare zone kleiner wordt. “De optimale afstand voor bewoonbaarheid ligt tussen 1-2 au stellaire afstand,” leggen de onderzoekers uit. Ze ontdekten ook dat het aantal exomanen toeneemt naarmate de stellaire afstand toeneemt. Hun massa is echter te klein, waardoor ze onbewoonbaar worden. “We onderzochten de bewoonbaarheid van vermoedelijke aardanaloge manen rond 461 bekende reuzenexoplaneten, geselecteerd op basis van hun massa,” schrijven de onderzoekers in hun conclusie. “Onze simulaties laten zien dat manen met massa's tussen Mars en Aarde zich zouden kunnen vormen rond planeten met massa's die ongeveer 10 keer zo groot zijn als die van Jupiter, en veel van deze manen zouden potentieel bewoonbaar kunnen zijn op 1-2 au stellaire afstanden.” Het onderzoek toont aan dat we bij het zoeken naar bewoonbaarheid ons blikveld moeten uitbreiden naar meer dan alleen rotsachtige exoplaneten in de bewoonbare zone. We zouden moeten beginnen met het zoeken naar bewoonbare exomanen op grotere afstanden van hun sterren. “Deze locaties bieden geschikte doelen voor de ontdekking van bewoonbare exomanen of exomanen in het algemeen,” schrijven de auteurs.
Astronomen hebben nog niet veel succes gehad met het detecteren van exomanen, hoewel er verschillende kandidaten zijn. Toch staan we misschien aan de vooravond van een eerste bevestiging. Een onderzoeksteam van astronomen heeft de JWST gebruikt om exomaankandidaten te onderzoeken, maar heeft hun resultaten nog niet gepubliceerd. De aankomende PLATO-missie van de ESA kan misschien ook enkele exomanen detecteren. Hoewel we voorlopig alleen simulatieresultaten hebben, lijkt het onmogelijk dat ons zonnestelsel het enige is met manen. Er moeten ook exoplaneten bestaan. Vóór de lancering van Kepler verwachtten we een schat aan ontdekkingen. Nu staan we op het punt om veel meer te leren over de populatie exomanen. Op basis van dit onderzoek kunnen we verwachten dat sommige van deze exomanen zich in bewoonbare zones bevinden. “We concluderen dat de circumstellaire bewoonbare zone kan worden uitgebreid naar manen rond reuzenplaneten,” schrijven de auteurs.
Bron: Universe Today
