De dichtheden en banen van de planeet bij TRAPPIST-1 en TOI-178 zijn in strijd met de verwachtingen van astronomen
Astronomen verwachten dat dichte planeten dicht bij een ster liggen en pluizige planeten verder weg. Maar de zes werelden van TOI-178, getoond in de illustratie van deze kunstenaar, zijn allemaal door elkaar gegooid.
Twee dicht opeengepakte families van exoplaneten verleggen de grenzen van hoe een planetair systeem eruit kan zien. Nieuwe studies van de samenstelling van werelden die in een baan om twee verschillende sterren draaien, laten een breed scala aan planetaire mogelijkheden zien, allemaal verschillend van ons zonnestelsel.
“Wanneer we multiplanetsystemen bestuderen, wordt er gewoon meer informatie bewaard in deze systemen” dan enige planeet op zichzelf, zegt geofysicus Caroline Dorn van de Universiteit van Zürich. Samen de planeten bestuderen “vertelt ons over de diversiteit binnen een systeem die we niet kunnen krijgen door naar individuele planeten te kijken.”
Dorn en zijn collega’s bestudeerden een oud favoriet planetair systeem genaamd TRAPPIST-1, dat zeven planeten ter grootte van de aarde herbergt die rond een kleine zwakke ster draaien op ongeveer 40 lichtjaar afstand. Een ander team bestudeerde een recent geïdentificeerd systeem genaamd TOI-178, dat ten minste zes planeten heeft – drie al bekend en drie nieuw gevonden – die rond een heldere, hete ster cirkelen op ongeveer 200 lichtjaar afstand.
Beide systemen bieden planetaire wetenschappers een voordeel ten opzichte van de meer dan 3.000 andere exoplanetenfamilies die tot nu toe zijn waargenomen: alle zeven planeten in TRAPPIST-1 en alle zes in TOI-178 hebben bekende massa’s en stralen. Dat betekent dat planetaire wetenschappers hun dichtheid kunnen achterhalen, een aanwijzing voor de samenstelling van de planeten (SN: 5/11/18).
De twee systemen bieden ook nog een ander voordeel: de planeten zijn zo dicht bij hun sterren verpakt dat de meesten bezig zijn met een delicate orbitale dans, een resonantieketting genaamd. Elke keer dat een buitenplaneet een baan rond zijn ster voltooit, voltooien sommige van zijn dichterbij gelegen planeten meerdere banen.
Resonantieketens zijn kwetsbare arrangementen, en als je een planeet zelfs maar een klein beetje uit zijn baan slaat, kunnen ze worden vernietigd. Dat betekent dat de TRAPPIST-1- en TOI-178-systemen zich langzaam en voorzichtig moeten hebben gevormd, zegt astronoom Adrien Leleu van de Universiteit van Genève.
“We denken niet dat er gigantische gevolgen hebben kunnen zijn, of sterke interacties waarbij de ene planeet een andere planeet heeft uitgeworpen”, zegt Leleu. Die zachte evolutie geeft astronomen een unieke kans om TRAPPIST-1 en TOI-178 te gebruiken als testopstellingen voor planetaire theorie.
In een paar papers beschrijven twee teams deze systemen in ongekend detail. Beiden verzetten zich tegen de trend die astronomen verwachtten van theorieën over hoe planetaire systemen ontstaan.
In het TOI-178-systeem de dichtheden van de planeten zijn allemaal door elkaar gegooidRapporteren Leleu en collega’s 25 januari in Astronomie en astrofysica.
“In het meest vanille-scenario verwachten we dat planeten die verder van de ster verwijderd zijn … grotere componenten van waterstof en heliumgas zouden hebben dan de planeten dichterbij”, zegt astrofysicus Leslie Rogers van de Universiteit van Chicago, die bij geen van beide onderzoeken betrokken was. Hoe dichter bij de ster, hoe dichter een planeet zou moeten zijn. Dat komt omdat verder weg gelegen planeten waarschijnlijk gevormd zijn waar het koud is, en er om te beginnen meer materiaal met een lage dichtheid was, zoals bevroren water, dan rots. Bovendien kan sterlicht atmosferen van nabije planeten gemakkelijker verwijderen dan verre planeten, waardoor de binnenste planeten dunnere of helemaal geen atmosferen achterlaten (SN: 1-7-20).
TOI-178 negeert die trend volledig. De binnenste planeten lijken rotsachtig te zijn, met dichtheden die vergelijkbaar zijn met die van de aarde. De derde is ‘erg donzig’, zegt Leleu, met een dichtheid zoals die van Jupiter, maar dan op een veel kleinere planeet. De volgende planeet heeft een dichtheid zoals die van Neptunus, ongeveer een derde van de dichtheid van de aarde. Dan is er een met ongeveer 60 procent van de dichtheid van de aarde, nog steeds donzig genoeg om te drijven als je hem in een bak met water zou kunnen doen, en de laatste planeet is Jupiter-achtig.
“De banen lijken erop te wijzen dat er geen sterke evolutie was van [the system’s] formatie, ”zegt Leleu. “Maar de composities zijn niet wat we hadden verwacht van een zachte formatie in de schijf.”
Het planetaire septet van TRAPPIST-1 daarentegen heeft een griezelige gelijkenis met zichzelf. Elke wereld is ongeveer even groot als de aarde, tussen 0,76 en 1,13 keer de straal van de aarde, meldden astrofysicus Eric Agol van de Universiteit van Washington in Seattle en collega’s in 2017 (SN: 22/02/17). Bovendien lijken er minstens drie in de bewoonbare zone van de ster te zijn, het gebied waar de temperaturen voor vloeibaar water goed kunnen zijn.
Nu hebben Agol, Dorn en collega’s de meest nauwkeurige metingen van de TRAPPIST-1-massa tot nu toe gedaan. Alle zeven werelden zijn bijna identiek aan elkaar maar iets minder dicht dan de aarde, meldt het team in de februari Planetary Science Journal. Dat betekent dat de planeten rotsachtig kunnen zijn, maar toch een lager aandeel zware elementen zoals ijzer hebben dan de aarde. Of het zou kunnen betekenen dat ze meer zuurstof hebben gebonden aan het ijzer in hun rotsen, “in feite het roesten”, zegt Agol.
Geoxideerd ijzer zou geen planetaire kern vormen, wat slecht nieuws voor het leven zou kunnen zijn, zegt Rogers. Geen kern betekent misschien geen magnetisch veld om de planeten te beschermen tegen de schadelijke uitbarstingen van de ster (SN: 3/5/18).
Het is echter niet duidelijk hoe planeten zonder kern moeten worden gevormd. “Er zijn voorstellen voor het vormen van dergelijke planeten, maar we hebben eigenlijk niet één kandidaat in het zonnestelsel waar we dit zien”, zegt Dorn. De analogen in het zonnestelsel zijn allemaal asteroïde-formaat lichamen die veel minder zwaar zijn dan de aarde.
Astronomen kunnen binnenkort de composities van de planeten van TRAPPIST-1 beter onder de knie krijgen. De James Webb-ruimtetelescoop, die in oktober wordt gelanceerd, zal de atmosfeer van de planeten (als die er zijn) onderzoeken op tekenen van chemische elementen die meer in detail zouden onthullen waaruit ze zijn gemaakt.
De gelijkenissen van de TRAPPIST-1-planeten met elkaar zijn niet zo verrassend als de verschillen tussen de TOI-178-planeten, zegt Rogers. Maar ze zijn nog steeds onverwacht. Als alle planeten identieke composities hebben, dan moet elk formatiemodel dat uitleggen, zegt ze.
Hoewel deze systemen de opvattingen van astronomen over de mogelijke soorten planeten in twijfel trekken, zegt Dorn, zal het nodig zijn om meer multiplanetsystemen te ontdekken om te vertellen hoe vreemd ze werkelijk zijn.
