Gematigd warme ‘aardes’ ontdekt in buitengewoon rijk planetenstelsel

Astronomen hebben, slechts veertig lichtjaar hiervandaan, een stelsel van zeven planeten ter grootte van de aarde ontdekt. Al deze planeten zijn gedetecteerd terwijl zij voor hun moederster – de ultrakoele dwergster TRAPPIST-1 – langs trokken. Dat is gebeurd met behulp van telescopen in de ruimte en op aarde, waaronder ESO’s Very Large Telescope. Volgens het artikel dat vandaag in het tijdschrift Nature verschijnt, bevinden drie van de planeten zich in de leefbare zone van hun ster en zouden er oceanen van water op hun oppervlak kunnen zijn. Nog nooit is in een planetenstelsel zo’n groot aantal planeten ter grootte van de aarde ontdekt waar leven kan bestaan.

Astronomen hebben – met behulp van de de TRAPPIST-South-telescoop van de ESO-sterrenwacht op La Silla, de Very Large Telescope (VLT) op Paranal, NASA’s Spitzer-ruimtetelescoop en telescopen elders ter wereld [1] – het bestaan bevestigd van minstens zeven kleine planeten die om de koele rode dwergster TRAPPIST-1 draaien [2]. Al deze planeten, die in volgorde van afstand tot hun moederster de aanduidingen TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g en h hebben gekregen, zijn qua afmetingen vergelijkbaar met de aarde [3]. Elk van de zeven planeten veroorzaakt een kleine daling van de helderheid van de ster wanneer hij voor deze langs trekt – een verschijnsel dat planeetovergang of transit wordt genoemd. Zulke planeetovergangen stellen astronomen in staat om informatie te vergaren over de afmetingen, samenstellingen en omloopbanen van de planeten [4]. Daarbij is ontdekt dat in elk geval de zes binnenste planeten zowel qua grootte als qua temperatuur op de aarde lijken. Hoofdauteur Michaël Gillon van het STAR Instituut van de Universiteit van Luik is opgetogen over de ontdekkingen: ‘Dit is een verbazingwekkend planetenstelsel – niet alleen omdat we zoveel planeten hebben ontdekt, maar ook omdat ze stuk voor stuk ongeveer zo groot zijn als de aarde!’ Met slechts acht procent van de massa van de zon is TRAPPIST-1 erg klein voor een ster: ze is nauwelijks groter dan de planeet Jupiter. Hierdoor lijkt de ster, die in het sterrenbeeld Aquarius (Waterman) staat, ondanks haar geringe afstand erg zwak. Astronomen vermoedden al dat zulke dwergsterren omgeven kunnen zijn voor aarde-achtige planeten in krappe omloopbanen, wat hen heel interessant maakt voor de zoektocht naar buitenaards leven. TRAPPIST-1 is het eerste stelsel van dit type dat is opgespoord.

Medeauteur Amaury Triaud weidt uit: ‘De energieproductie van dwergsterren als TRAPPIST-1 is veel geringer dan die van onze zon. Om water op hun oppervlak te kunnen hebben, moeten planeten veel kleinere omloopbanen volgen dan we in ons zonnestelsel gewend zijn. Gelukkig lijkt TRAPPIST-1 door precies zo’n compacte configuratie van planeten omgeven te zijn!’ Het onderzoeksteam heeft vastgesteld dat alle planeten in het stelsel ongeveer net zo groot zijn als de aarde en Venus, of iets kleiner dan dat. De dichtheidsbepalingen wijzen erop dat in elk geval de zes binnenste planeten waarschijnlijk een rotsachtige samenstelling hebben. De omloopbanen van de planeten zijn niet veel groter dan die van de vier grootste manen van Jupiter en veel kleiner dan de omloopbaan van Mercurius, de binnenste planeet van het zonnestelsel. De kleinere afmetingen en lagere temperatuur van TRAPPIST-1 hebben echter tot gevolg dat deze planeten ongeveer net zoveel energie opvangen als de binnenste planeten van ons zonnestelsel. TRAPPIST-1c, d en f vangen vergelijkbaar veel energie op als respectievelijk Venus, de aarde en Mars.

De zeven planeten die in het stelsel zijn ontdekt zouden vloeibaar water op hun oppervlak kunnen hebben, al is dat bij de ene planeet waarschijnlijker dan bij de andere. Klimaatmodellen geven aan dat de drie binnenste planeten, TRAPPIST-1b, c en d, waarschijnlijk te heet zijn om vloeibaar water te hebben, behalve misschien op een klein deel van hun oppervlak. De afstand van de buitenste planeet, TRAPPIST-1 h, is nog niet goed bepaald, maar waarschijnlijk bevindt deze zich zo ver van zijn ster dat het er te koud is voor vloeibaar water – tenzij er alternatieve warmteprocessen optreden [5]. TRAPPIST-1 e, f en g daarentegen kunnen worden beschouwd als de heilige graal van de planetenjacht: zij bevinden zich in de leefbare zone van hun ster en kunnen plaats bieden aan oceanen van oppervlaktewater [6]. Deze nieuwe ontdekkingen maken het TRAPPIST-1-stelsel tot een belangrijk doelwit van toekomstig onderzoek. De Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA wordt al gebruikt om naar atmosferen om de planeten te zoeken en teamlid Emmanuël Jehin verheugt zich over wat nog op stapel staat: ‘Met de komende generatie van telescopen, zoals ESO’s European Extremely Large Telescope en de James Webb-ruimtetelescoop van NASA, ESA en CSA, zullen we spoedig in staat zijn om naar water en misschien zelfs tekenen van leven op deze werelden te zoeken.’

Noten

[1] Naast NASA’s Spitzer-ruimtetelescoop heeft het team ook veel faciliteiten op aarde gebruikt: TRAPPIST-South van de ESO-sterrenwacht op La Silla in Chili, HAWK-I van ESO’s Very Large Telescope in Chili, TRAPPIST-North in Marokko, de 3,8-meter UKIRT op Hawaï, de 2-meter Liverpool- en 4-meter William Herschel-telescoop op het Canarische eiland La Palma en de 1-meter SAAO-telescoop in Zuid-Afrika.

[2] TRAPPIST-South (de zuidelijke TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) is een 0,6-meter geautomatiseerde telescoop, gestationeerd op de ESO-sterrenwacht op La Silla in Chili, die wordt bediend door de Universiteit van Luik. Hij is een groot deel van zijn tijd bezig om het licht in de gaten te houden van ongeveer zestig van de meest nabije ultrakoele dwergsterren en bruine dwergen (‘sterren’ die niet genoeg massa hebben om voortdurend fusiereacties in hun kern te laten plaatsvinden), om mogelijke planeetovergangen te kunnen detecteren. TRAPPIST-South en -North zijn de voorlopers van het SPECULOOS-systeem, dat momenteel op de ESO-sterrenwacht op Paranal wordt geïnstalleerd.

[3] Begin 2016 maakte een team van astronomen, eveneens onder leiding van Michaël Gillon al de ontdekking bekend van drie planeten die om TRAPPIST-1 cirkelen. Hun vervolgonderzoek kwam in een stroomversnelling door een opmerkelijke drievoudige planeetovergang die zij met het HAWK-I-instrument van de VLT hebben waargenomen. Uit deze transit bleek duidelijk dat er nog minstens één onbekende planeet om de ster draaide. En deze historische lichtkromme toont voor het eerst hoe drie gematigd warme ‘aardes’, waarvan twee in de leefbare zone, tegelijkertijd voor hun ster langs schuiven!

[4] Dit is een van de belangrijkste methoden waar astronomen gebruik van maken om de aanwezigheid van een planeet bij een ster aan te tonen. Ze kijken naar het licht dat de ster uitstraalt, om te zien of een deel van dat licht wordt tegengehouden wanneer er, van de aarde uit gezien, een planeet voor haar langs trekt. Omdat planeten om hun moederster cirkelen, zijn zulke planeetovergangen, die in een kleine afname van de helderheid van de ster resulteren, een regelmatig terugkerend verschijnsel.

[5] Een van die processen is de getijdenopwarming die ontstaat wanneer de zwaartekrachtsaantrekking van TRAPPIST-1 de planeet bij herhaling van vorm doet veranderen, wat tot inwendige wrijvingskrachten en warmte-ontwikkeling leidt. Ditzelfde proces is ook de oorzaak van het actieve vulkanisme op de Jupitermaan Io. Ook als TRAPPIST-1h een waterstofrijke atmosfeer heeft weten vast te houden, kan de planeet zijn warmteverlies beperken.

[6] De ontdekking heeft nog een ander bijzonder aspect: nog nooit is zo’n grote verzameling exoplaneten ontdekt die vrijwel in resonantie zijn met elkaar. De astronomen hebben nauwkeurig gemeten hoe lang elke planeet van het stelsel erover doet om één rondje op TRAPPIST-1 te voltooien – de zogeheten omlooptijd – en vervolgens berekend hoe de omlooptijd van elke planeet zich verhoudt tot die van zijn verder naar buiten gelegen buur. Bij de binnenste zes planeten verhouden deze omlooptijden zich vrijwel precies als gehele getallen, zoals 5:3 of 3:2. Dit wijst erop dat de planeten op grotere afstand van hun ster zijn ontstaan, en vervolgens naar hun huidige posities zijn gemigreerd. Als dat zo is, zouden ze veel vluchtige stoffen kunnen bevatten en is er een kans dat ze zijn omgeven door een atmosfeer, en water of ijs op hun oppervlak hebben.