Waarom exoplaneten vooral in medium en large verkrijgbaar zijn

Dertig jaar geleden konden wetenschappers nog niet met zekerheid vaststellen of er planeten bestonden buiten die in ons zonnestelsel. Vandaag zijn er al meer dan vijfduizend gedetecteerd.

Maar bij metingen aan de grootte van die planeten deden astrofysici een vreemde vaststelling. Kennelijk zijn er heel wat ‘superaardes’ – rotsachtige bollen met een diameter die ongeveer 1,4 keer groter is dan die van onze planeet. En er zijn ook hopen ‘mini-Neptunussen’ met een diameter die ruwweg 2,4 keer groter is. Maar er zijn heel weinig planeten die tussen die twee afmetingen vallen.

Hoe komt dat? Een nieuw model gepubliceerd in het vakblad Astrophysical Journal Letters geeft een mogelijk antwoord. Het zou alles te maken hebben met botsingen.

De meeste exoplaneten zijn ofwel circa 1,4 keer groter dan de aarde, ofwel 2,4 keer groter. © Benjamin Fulton en Amanda Montañez

Er deden al hypotheses de ronde voor de diameterkloof. Wetenschappers veronderstellen bijvoorbeeld dat sommige planeten krimpen bij hoge temperaturen. Na verloop van tijd bewegen planeten toe naar hun moederster. Ze krijgen het daardoor steeds heter onder de voeten. Bij relatief lichte planeten kan die hitte de buitenste gaslagen verschroeien. Bij zwaardere planeten is dat niet het geval: zij hebben voldoende zwaartekracht om hun gaslagen vast te houden – en dus niet te krimpen.

De auteurs van het nieuwe model trekken die stelling in twijfel. Volgens hen heeft de diameterkloof eerder te maken met botsingen tussen planeten. Ze baseerden zich op theorieën over hoe planetaire systemen zich wellicht vormen. Planeten die dicht bij hun ster ontstaan zijn doorgaans rotsachtig, terwijl planeten verder af doorgaans veel water of ijs bevatten. De meeste planeten zijn aanvankelijk eerder groot en vallen in de categorie van de mini-Neptunussen.

Wanneer de planeten gaandeweg naar hun sterren toe bewegen, worden hun banen minder stabiel. Dat leidt weleens tot een botsing. Komen twee rotsachtige planeten tot aanvaring, dan vormen ze een nieuwe planeet met een grotere massa, maar wel een kleiner formaat. Dat komt doordat ze hun gaslagen verliezen.

Wanneer twee waterrijke planeten botsen en samensmelten, wordt de nieuwe planeet niet veel kleiner. ‘Water is immers niet zo dens’, zegt astrofysicus André Izidoro (Rice University), die de studie leidde. ‘Zelfs zonder hun gaslagen blijven deze planeten boven de diameterkloof.’ En wat als een rotsachtige planeet botst met een waterrijke? Dan krijg je een grotere, waterrijke planeet die opnieuw boven de diameterkloof zit.

Als het model klopt, dan volgt dat planeten minder massa verliezen door hitte dan eerder werd aangenomen. ‘Of je moet, als je blijft vasthouden aan de temperatuurtheorie, besluiten dat planeten veel minder vaak botsen dan we tot nu toe dachten’, zegt astrofysicus James Owen (Imperial College Londen), die niet bij de studie betrokken was.

De stellingen zijn vandaag nog moeilijk te testen. Daarvoor is het wachten op ruimtetelescopen die de samenstelling van mini-Neptunussen scherp kunnen waarnemen. Als dan blijkt dat exoplaneten van die grootte veel waterstof en helium bevatten, zou de temperatuurtheorie aannemelijk zijn. Veel water en ijs zou dan weer wijzen in de richting van het nieuwe model van de botsingen.

‘Maar,’ zegt coauteur Hilke Schlichting (University of California), ‘we kunnen de beide theorieën nooit volledig testen met alleen maar waarnemingen.’ Het is onmogelijk om in realtime na te gaan hoe planeten zich over een tijdspanne van miljoenen jaren hebben gevormd. ‘We hebben geavanceerdere modellen en simulaties nodig om beter te begrijpen wat de data echt vertellen. Pas dan zullen we echt inzicht verwerven in hoe ons zonnestelsel is ontstaan.’

Bron: Rice University, Texas, VS via Scientific American