Astronomen vinden enorm opgezwollen planeet

rtist impressie van WASP-107b
Artist impressie van de exoplaneet WASP-107b en zijn ster WASP-107. Een gedeelte van het sterlicht straalt door de buitenste gaslaag van de exoplaneet. Credit: NASA/ESA/Hubble/M. Kornmesser

De massa van de kern van de enorme exoplaneet WASP-107b is veel lager dan astronomen dachten dat noodzakelijk is om de immense gasmassa’s die reuzenplaneten zoals Jupiter en Saturnus hebben, op te bouwen. De exoplaneet is waargenomen door astronomen van de universiteit van Montreal. Blijkbaar ontstaan dergelijke planeten veel gemakkelijker dan voorheen werd aangenomen.

De onderzoeksgroep, bestaande uit astronomen uit Canada, de Verenigde Staten, Duitsland en Japan heeft zijn bevindingen gepubliceerd in de Astrophysical Journal. De nieuwe analyse van de interne structuur van WASP-107b heeft grote implicaties voor onze kennis over planeetvorming.

Zo groot als Jupiter maar 10 keer lichter

WASP-107b draait in een baan om de ster WASP-107. Deze ster is ongeveer 212 lichtjaar van de Aarde verwijderd en bevindt zich in het sterrenbeeld Maagd – Virgo. De exoplaneet werd in 2017 gevonden. De planeet bevindt zich erg dicht bij zijn ster. Ongeveer 16 maal dichterbij dan de Aarde tot de Zon. De planeet is ongeveer even groot als Jupiter maar 10 maal lichter. Het is een van de lichtste exoplaneten die we kennen.

De onderzoeksgroep deed waarnemingen van de planeet met behulp van de Keck sterrenwacht op Hawaï. Ze maakten gebruik van de radiale snelheidsmethode. Deze methode maakt het voor astronomen mogelijk om aan de hand van het wiebelen van de moederster de massa van de planeet te berekenen. Ze concludeerden dat WASP-107b een massa heeft van ongeveer 0,1 maal de massa van Jupiter oftewel ongeveer 30 maal de massa van de Aarde.

Het team voerde hierna een analyse uit om de meest waarschijnlijke interne structuur van de planeet te bepalen. Ze kwamen tot een verrassende conclusie: met een dergelijke lage massa moet de planeet een vaste kern hebben met een maximale massa van 4 aardmassa’s. Dit betekent dat 85% van de massa zich in de dikke gaslaag bevindt die de kern omhuld. Ter vergelijking nemen we even Neptunus erbij. Neptunus heeft een massa die ongeveer gelijk is aan die van WASP-107b maar slechts 5 tot 15% van de totale massa bevindt zich in de gaslaag.

De onderzoekers hadden een heleboel vragen over WASP-107b. Hoe kon een planeet met een dergelijk lage dichtheid ontstaan? En hoe heeft de planeet zijn enorme gaslaag weten te behouden kijkende naar de kleine afstand van de planeet tot de ster. Het motiveerde de onderzoekers tot een grondige analyse om de ontstaansgeschiedenis van de planeet te bepalen.

Een gasreus in wording

Planeten ontstaan in een schijf van gas en stof die zich rond een jonge ster bevindt. Het wordt de protoplanetaire schijf genoemd. Klassieke modellen over het ontstaan van gasreuzen zijn gebaseerd op Jupiter en Saturnus. In deze modellen is er een vaste kern van minimaal 10 maal de massa van de Aarde nodig om een grote hoeveelheid gas te verzamelen voordat de protoplanetaire schijf is opgelost.

Zonder een massieve kern zouden gasreuzen niet de kritische massa kunnen bereiken om een grote massa gas op te bouwen en vast te houden. Maar hoe kan dan het bestaan van WASP-107b worden verklaard die een veel lichtere kern heeft? De onderzoekers hebben verschillende hypotheses.

Het meest plausibele scenario voor WASP-107b is dat de planeet ver weg van zijn ster is ontstaan. Op die locatie is het gas van de protoplanetaire schijf koel genoeg om het aantrekken van gas erg snel te laten verlopen. De planeet zou dan pas later naar zijn huidige locatie zijn verhuisd. Dit kan zijn gebeurd door interactie met de protoplanetaire schijf of door interacties met andere planeten in het stelsel.

Ontdekking van de tweede planeet: WASP-107c

Doordat men met de Keck telescoop het WASP-107 systeem veel langer dan voorheen heeft kunnen bestuderen konden de onderzoekers een andere ontdekking doen: het bestaan van een tweede exoplaneet, WASP-107c. Deze planeet heeft een massa van ongeveer 1/3de Jupiter en dat is aanzienlijk meer dan de massa van WASP-107b.

WASP-107c bevindt zich ook veel verder weg van zijn moederster: de planeet heeft 3 jaar nodig voor een omwenteling om zijn ster. Veel meer dan de 5,7 dagen de WASP-107b er voor nodig heeft. Ook interessant: de tweede planeet heeft een grote baanexcentriciteit. Dit betekent dat de baan meer de vorm van een ovaal heeft dan van een cirkel.

De grote excentriciteit suggereert een chaotisch verleden met interacties tussen de planeten die hebben geleid tot significante verplaatsingen, zoals die voor WASP-107b wordt verwacht.

Nog meer vragen

Naast de ontstaansgeschiedenis zijn er nog meer mysteries. Onderzoek van de atmosfeer van WASP-107b met behulp van de Hubble Space Telescope wees in 2018 uit dat die verrassend weinig methaan bevat.

En dat is vreemd want dit soort planeet moet een atmosfeer hebben die veel methaan bevat. De waarnemingen van de Hubble worden nu opnieuw geanalyseerd met de nieuwe massa van de planeet om te kijken wat dit voor een resultaat oplevert. Bovendien vindt men dan mogelijk mechanismes die de destructie van methaan verklaren.

De onderzoekers hopen met de dit jaar te lanceren James Webb Space Telescope de planeet ook te kunnen bestuderen. De JWST wordt in staat geacht de samenstelling van de atmosfeer van de planeet veel beter te kunnen bepalen.

Ons zonnestelsel heeft geen vergelijkingsmateriaal voor WASP-107b. Astronomen weten dus nog niet goed hoe ze de algemene mechanismes die zorgen voor het ontstaan van planeten kunnen vertalen naar de grote variëteit aan exoplaneten die ze nu vinden.

Artikel:  “WASP-107b’s density is even lower: a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration”

 

Eerste publicatie: 20 januari 2021
Bron: universiteit van Montreal, SpaceDaily