Astronomen vinden regelmatig patroon in de banen van de Trappist-1 planeten

Artist impression van de planeten van TRAPPIST-1
Artist impression van de planeten van TRAPPIST-1

Astronomen hebben met behulp van de Kepler Space Telescope een regelmatig patroon ontdekt in de banen van de planeten bij de ster TRAPPIST-1. Dit bevestigt eerder vermoede details over de baan van de buitenste en minst bekende planeet, TRAPPIST-1h.

De ster TRAPPIST-1 heeft een massa van slechts 0,08 zonsmassa en het is daarom dan ook een koudere en minder heldere ster. Er draaien 7 planeten om heen die allemaal ongeveer de grootte van de Aarde hebben. Drie van die planeten bevinden zich in de bewoonbare zone van de ster – dit is de afstand tot een ster waar vloeibaar water aan het oppervlak van een planeet kan voorkomen. De ster bevindt zich op een afstand van ongeveer 40 lichtjaar in het sterrenbeeld Aquarius – Waterman en de leeftijd van het systeem wordt geschat op 3 tot 8 miljard jaar.

De ontdekking van de 7 planeten bij TRAPPIST-1 werd gedaan op 22 februari 2017. Astronomen hadden de Spitzer Space Telescope, de TRAPPIST (Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope) in Chili en andere telescopen op de grond gebruikt om de planeten te detecteren en de karakteriseren. Voor de planeet TRAPPIST-1h waren er alleen maar schattingen voor de omlooptijd.

Astronomen van de universiteit van Washington hebben data van de Kepler Space Telescope gebruikt om de omlooptijd van 19 dagen te bevestigen. TRAPPIST-1h bevindt zich op een afstand van ongeveer 9,6 miljoen kilometer van zijn koude ster. De planeet bevindt zich buiten de bewoonbare zone van de ster en is vermoedelijk veel te koud voor leven zoals wij dat kennen. De hoeveelheid energie die planeet h ontvangt van zijn ster is vergelijkbaar het de hoeveelheid energie die de dwergplaneet Ceres, die zich in de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter bevindt, ontvangt van onze Zon. Het team van astronomen was bijzonder verheugd dat TRAPPIST-1h zich op precies de voorspelde plaats bevond.

Baanresonantie – harmonie tussen hemellichamen

De astronomen ontdekten in de gegevens van de Spitzer Telescope een wiskundig patroon in de frequentie waarmee de zes binnenste planeten om hun ster draaien. Dit is een ingewikkeld maar voorspelbaar patroon dat baanresonantie wordt genoemd en dat optreedt als planeten een regelmatige periodieke aantrekking op elkaar uitoefenen tijdens hun baan om hun ster.

Om het begrip resonantie uit te leggen maken we een uitstapje naar de manen Io, Europa en Ganymedes van Jupiter. Ganymedes is de verste van deze drie. Voor iedere keer dat Ganymedes eenmaal om Jupiter draait, draait Europa tweemaal om de planeet en draait Io viermaal om Jupiter heen. Dit wordt een 1:2:4 resonantie genoemd en dat is een stabiele resonantie waarbij een maan die zijn baan zou willen verlaten vanzelf weer in zijn juiste stabiele baan wordt getrokken. De planeten in de TRAPPIST-1 systeem worden op dezelfde manier stabiel gehouden.

Deze animatie laat een simulatie van de planeten van TRAPPIST-1 zien gedurende 90 aardse dagen. na 15 aardse dagen laat de animatie alleen de drie buitenste planeten zien: TRAPPIST-1f, TRAPPIST-1g en TRAPPIST-1h. De beweging stopt steeds als wee aangrenzende planeten elkaar passeren; en pijl wijst dan naar de positie van de derde planeet. Dit complexe maar voorspelbare patroon wordt baanresonantie genoemd en treedt op als planeten een regelmatige periodieke aantrekking op elkaar uitoefenen als ze om hun ster draaien. De drie lichamenresonantie van de buitenste drie planeten zorgr er voor dat de planeten regelmatig dezelfde posities innemen. Een dergelijke resonantie werd gebruikt om de baanperiode van TRAPPIST-1h te voorspellen.

Door deze onderlinge relaties konden astronomen uit de baansnelheden en de baanperiode van de buurplaneten 6 verschillende resonantie periodes voor planeet h berekenen die niet de stabiliteit van het gehele systeem in gevaar brachten. Van deze 6 mogelijkheden kon er eentje niet door aanvullende gegevens worden uitgesloten. De andere 5 mogelijkheden konden door de Spitzer of vanaf de grond worden bestudeerd door het TRAPPIST-team. De onderzoekers vermoeden dat de onderlinge baanrelaties al vroeg tijdens het ontstaan van het TRAPPIST-1 systeem zijn ontstaan.

De structuur in de resonanties is geen toeval en wijst op een interessante dynamische geschiedenis waarbij de planeten mogelijk naar binnen toe zijn gemigreerd. Volgens de onderzoekers is het sterstelsel daarom een heel interessant laboratorium voor theorieën over het ontstaan van planeten en theorieën over migratie van planeten.

Wereldwijde samenwerking

De Kepler Space Telescope bestudeerde tussen 15 december 2016 en maart 2017 het TRAPPIST-1 systeem op minuscule veranderingen in helderheid veroorzaakt door passerende planeten. Op 8 maart werden de ruwe niet-gecalibreerde gegevens ter beschikking gesteld aan de wetenschappelijke gemeenschap.

Wetenschappers begonnen meteen met het uitzoeken van de baanperiode van TRAPPIST-1h en binnen 2 uur na dat de data waren vrijgeven werd de voorspelde baanperiode van 19 dagen bevestigd. De resonantie van 7 planeten in het TRAPPIST-1 systeem is een record. De vorige recordhouders zijn de planeetsystemen Kepler-80 en Kepler-233 met elk 4 planeten in resonantie.

Het TRAPPST-1 systeem werd in 2016 ontdekt door de TRAPPIST en tijdens de ontdekking dacht men drie planeten hebben gevonden. Met behulp van de Spitzer en met telescopen vanaf de grond werden meer planeten bij de ster ontdekt. Met behulp van de Hubble Space Telescope wordt zocht naar aanwijzingen van atmosferen bij de planeten en dat onderzoek zal zeer zeker worden voortgezet als in 2018 de James Webb Telescope wordt gelanceerd.

Eerste publicatie: 23 mei 2017
Bron: diverse persberichten

Publicatie: Rodrigo Luger, et al., “A seven-planet resonant chain in TRAPPIST-1,” Nature Astronomy 1, Article number: 0129 (2017); doi:10.1038/s41550-017-0129