Planeten ontstaan wanneer stof, rotsen en ijs zich verzamelen en blijven aangroeien. Punt uit. Dat gold de laatste 50 jaar althans als de waarheid. Maar de allergrootste planeten in vreemde zonnestelsels, exoplaneten, passen niet in dat stramien.
Planeetwetenschappers hebben in 15 jaar tijd ruim 300 zogeheten superreuzen waargenomen, die tot 13 maal de massa van Jupiter hebben en zo ver van hun ster af staan dat ze niet op de klassieke manier kunnen zijn samengesteld.
Tien jaar terug bedachten astronomen de theorie dat superreuzen ontstaan in een plotselinge uitbarsting, in een proces dat lijkt op de geboorte van een ster.
Ze hadden alleen bewijs nodig.
Maar nu hebben de astronoom Thayne Currie uit de VS en zijn onderzoeksteam van de Japanse Subaru-telescoop in Hawaï voor het eerst het ontstaan van een verre superreus gefotografeerd, en zo bevestigd dat planeten zich door een geheel nieuw mechanisme kunnen vormen.
Grote afstand tot de ster
De allermeeste van de 5125 exoplaneten die astronomen hebben gevonden, zijn indirect ontdekt, door de schaduw van de planeet waar te nemen als hij voor zijn ster langs beweegt. Maar enkele planeten zijn ook rechtstreeks waarneembaar.
Telescopen hebben daarvoor een schijf die het felle licht van de ster blokkeert – een coronagraaf – waardoor de zwakkere gloed van de planeet te zien is.
De Subaru-telescoop op Hawaï nam als eerste het ontstaan van de supergasreus Aurigae b waar. De ruimtetelescoop Hubble heeft later de ontdekking van Subaru bevestigd.
De methode is heel geschikt voor het spotten van superreuzen, omdat ze zo groot zijn en zo ver van hun ster staan dat telescopen de lichtbronnen van elkaar kunnen onderscheiden en het zwakke licht van de planeet kunnen isoleren.
In 2016 ontdekte de Subaru-telescoop met een diameter van 8,2 meter de jonge ster AB Aurigae. De eerste beelden zonder coronagraaf toonden de ster van slechts 2 miljoen jaar oud in een draaiende schijf van stof en gas.
Toen sterrenkundigen daarna het licht van de ster dimden met de coronagraaf, wees alles erop dat een grote pasgeboren gasplaneet, Aurigae b, 93 keer zo ver weg om de ster draait als de afstand tussen de zon en de aarde.
Telescoop fotografeerde de geboorte
1. Sterrenlicht verbergt de planeet
Op foto’s zonder filter is de 2 miljoen jaar oude ster te zien als een heldere stip in het midden. Zijn licht is zo fel dat het de zwakke gloed van de gigantische gasplaneet Aurigae b aan de rand van het stelsel overstemt.
2. Zonnescherm blokkeert het felle licht
Als de telescoop een coronagraaf heeft die het licht van de ster verduistert, vangt de camera de weerschijn van Aurigae b onderin de foto. Doordat de supergasreus extreem ver van de ster staat is, zijn de twee lichtbronnen te onderscheiden.
3. De reus is te ver weg
Aurigae b bevindt zich 13,95 miljard kilometer van zijn ster: drie keer de afstand van de buitenste planeet van ons zonnestelsel, Neptunus (binnenste ring), tot de zon. Volgens de klassieke theorie kunnen planeten niet op zo’n afstand ontstaan.
Maar helemaal zeker was dat niet. Pas toen de ruimtetelescoop Hubble zich ook op de ster richtte en de waarnemingen werden gecombineerd, werden de laatste twijfels weggenomen.
Voor het eerst namen astronomen de geboorte van een superreus ver van zijn ster waar. Maar er was één probleem. De planeet zou zich niet zo ver weg moeten kunnen vormen – althans niet volgens de klassieke planeetvormingstheorieën.
Een arsenaal aan exoplaneten
Tot 30 jaar geleden de eerste exoplaneten opdoken, dachten astronomen dat alle andere planetenstelsels sterk op het zonnestelsel leken, met kleine rotsplaneten als de aarde in het centrum, gasreuzen als Jupiter in het midden en ijsplaneten als Neptunus in de buitenste regionen.
Maar dat beeld is allang aan diggelen.
5125 exoplaneten waren er in augustus 2022 vastgelegd.
Zo hebben planeetwetenschappers Jupiter-achtige planeten van duizenden graden heet ontdekt die dicht bij hun ster draaien. De gasreuzen kunnen niet zijn gevormd in deze hitte; ze moeten naar binnen geslingerd zijn vanuit koelere streken verder weg in het planetenstelsel.
Er zijn ook veel planeten gevonden in de gewichtsklasse tussen Neptunus en de aarde, zoals grote superaardes, waterrijke hemellichamen en kleine gasplaneten die bij ons niet kunnen bestaan.
Maar exoplaneten hebben één ding gemeen met de acht planeten van ons zonnestelsel – ze zijn net zo gevormd, dus zoals de klassieke theorie voorspelt: stof, rotsen en ijs verzamelen zich in de loop der tijd rond een ster en worden steeds groter tot er een planeet ontstaat.
Vóór de ontdekking van de supergasreuzen namen astronomen aan dat alle planeten werden gevormd door gesteente, stof en ijs die samenklonterden.
Maar de ontdekking van Aurigae b en andere superreuzen daagt dit klassieke scheppingsverhaal uit. De planeten lijken te zijn gevormd in de buitenwijken van planetenstelsels, waar veel te weinig stof en gas is om hele planeten op te bouwen.
Het is onwaarschijnlijk dat de reuzen in de gasschijf rond de ster zijn ontstaan en weggeslingerd door de zwaartekracht van andere reuzenplaneten, want de superreuzen draaien om hun ster in een ronde baan in het vlak van de schijf, en dat is typisch voor planeten die zich nog dicht bij hun ontstaansplek bevinden.
Om te begrijpen hoe een superreus zich dan kan vormen in het ijle gas ver van de ster, moeten we de zwaartekracht zien te doorgronden.
Zwaartekracht vormt gasreus
Als een ster geboren wordt, maakt hij in zijn eerste dagen heftige bewegingen in de omringende gasschijf. Dit kan leiden tot variaties in het gravitatieveld aan de rand van de schijf, en dus tot gebieden met sterke en zwakke gravitatievelden.
Volgens de nieuwste theorie van Thayne Currie en andere planeetwetenschappers drukt een sterk gravitatieveld het ijle gas samen tot een grote, compacte wolk. Op een gegeven moment wordt de wolk zo zwaar en instabiel dat hij instort en er een superreus ontstaat.
Instabiele gaswolk baart supergasreus
1. IJl gas bevindt zich het verste weg
De jonge ster is omgeven door een draaiende schijf van stof en gas. Klassieke planeetvorming kan plaatsvinden in het binnenste, dichte deel van de schijf, maar in het buitenste deel kan geen supergasreus worden opgebouwd doordat het gas te ijl is.
2. Instabiel gas verdicht zich
Het gravitatieveld van de ijle gasschijf varieert door bewegingen in het chaotische jonge zonnestelsel. Her en der wordt het gravitatieveld zwakker, maar in een versterkt gebied perst de zwaartekracht een gigantische, instabiele gaswolk samen.
3. Reus vormt zelf een kern
De gaswolk stort plotseling in en er ontstaat een kant-en-klare supergasreus. Stofdeeltjes trekken naar het centrum van de planeet, waar ze samensmelten tot een grote, zware kern die meer gas uit de omgeving aantrekt.
4. Supergasreus vreet zich vol
In zijn baan om de ster zuigt de pasgeboren planeet onophoudelijk gas uit de omgeving, en hij wordt steeds groter. Uiteindelijk is een groot deel van de schijf leeg en heeft de planeet een massa van wel 13 keer die van Jupiter.
Het proces lijkt op de manier waarop sterren ontstaan, en het is een teken dat de zwaartekracht op de een of andere manier altijd het meeste materiaal rond een ster tot planeten perst.
‘De natuur is slim en produceert niet zomaar kopieën van het zonnestelsel, maar allerlei zeer verschillende planetenstelsels. Het superreuzenstelsel is een van de meest bizarre die we hebben gezien,’ zegt Thayne Currie.
Miljarden supergasreuzen
Supergasreuzen zijn zeldzaam en maken nog geen procent uit van alle planeten in de Melkweg. Toch schatten astronomen dat er 46 miljard zijn in ons sterrenstelsel. De vraag is nu of ze allemaal zo ‘kant-en-klaar’ zullen ontstaan als Aurigae b.
‘De natuur is slim en produceert niet zomaar kopieën van het zonnestelsel, maar allerlei zeer verschillende planetenstelsels.’ Thayne Currie, astronoom bij de Subarutelescoop
Om daar achter te komen, moeten de astronomen de temperatuur van de jonge planeten opnemen.
Als een supergasreus direct ontstaat uit de ingestorte gaswolk, zal hij extreem heet zijn, omdat alle warmte die vrijkomt bij de snelle samenpersing van het gas in de planeet wordt geïsoleerd. Deze hitte wordt gedurende miljoenen jaren slechts langzaam afgegeven, zodat de planeet nog lang gloeiend heet zal blijven.
Maar als de supergasreus wordt gevormd op de klassieke manier en eerst een grote kern van stof en ijs opbouwt die een lange periode gas aantrekt, zullen er tegengestelde drukgolven ontstaan zodra het gas de kern raakt.
Deze drukgolven gaan dan door het inkomende gas naar buiten, waardoor de snelheid van het gas wordt gedempt. En als het gas vertraagt, straalt het veel van zijn energie als warmte uit naar de kern.
Met andere woorden: een supergasreus die al het gas uit zijn omgeving heeft gezogen, zal dus stukken kouder zijn dan wanneer hij direct zou zijn ontstaan uit een ingestorte gaswolk.
Ruimtetelescoop kan het ontstaan waarnemen
Dit veelzeggende temperatuurverschil duurt een paar honderd miljoen jaar na het ontstaan. Daarna wordt het verschil uitgevlakt en verdwijnen alle sporen van de oorsprong. Waarnemingen van rijpe supergasreuzen van miljarden jaren oud zullen ons dus niets vertellen.
Gelukkig ontdekken de astronomen steeds meer jonge planeten als Aurigae b, wat kan uitwijzen of alle supergasreuzen ontstaan uit een ingestorte gaswolk of dat dit slechts voor enkele geldt.
Eén manier om daarachter te komen is met NASA’s onlangs gelanceerde James Webb-ruimtetelescoop. Deze heeft het scherpste zicht dat astronomen ooit op de ruimte hebben gehad, en is uitgerust met veel geavanceerdere coronameters dan zijn voorganger, de Hubble.
Maar dat is nog niet alles – waar de Hubble de ruimte waarneemt in zichtbaar licht, neemt de James Webb infrarode warmtestraling waar, waardoor hij zeer geschikt is om jonge superreuzen in verre stelsels de temperatuur te nemen.
Het gloednieuwe instrument geeft de astronomen een goede kans om uit te zoeken of AB Aurigae b een uitzondering op de regel is – of dat de grootste planeten in het heelal eigenlijk altijd ontstaan op die afstand en op zo’n dramatische wijze.