De planeten van TRAPPIST-1 hebben allemaal eenzelfde samenstelling

26 januari 202123 januari 2021hubble, kepler space telescope, nasa, samenstelling planeten, Spitzer Space Telescope, TRAPPIST-1 8 min read

Mogelijke samenstelling van de zeven TRAPPIST-1 planeten — Deze afbeelding toont de mogelijke binnensten van de zeven rotsachtige planeten in het TRAPPIST-1 systeem, gebaseerd op nauwkeurige metingen van de dichtheden van de planeten. Over het algemeen hebben de TRAPPIST-1 planeten een opmerkelijk vergelijkbare dichtheid wat suggereert dat ze dezelfde verhouding van gemeenschappelijke planeetvormende elementen delen. De dichtheid van de planeten is iets kleiner dan die van de Aarde of Venus en dit zou kunnen betekenen dat ze fractioneel minder ijzer bevatten (een materiaal met een hoge dichtheid) of meer materialen bevatten met een lage dichtheid. Dit kan dan komen door de aanwezigheid van meer zuurstof of stikstof. In het eerste model (links) is het binnenste van de planeet samengesteld uit ijzer vermengd met lichtere elementen zoals zuurstof. Er is een vaste ijzeren kern zoals dat het geval is bij de Aarde en de andere rotsachtige planeten in ons zonnestelsel. Het tweede model toont een samenstelling die overeenkomt met die van de Aarde waarbij de materialen met de hoogste dichtheid zich in het binnenste van de planeten bevinden en er een ijzeren kern is die proportioneel kleiner is dan de kern van de Aarde. Het derde model toont een variatie hierop met een grotere kern met een hogere dichtheid die wordt gecompenseerd door een uitgestrekte oceaan met een lagere dichtheid aan het oppervlak van de planeet. Dit scenario kan echter alleen worden toegepast op de vier buitenste planeten in het TRAPPIST-1 systeem. Op de drie binnenste planeten zouden oceanen verdampen als gevolg van de hogere temperaturen nabij hun ster. Voor deze planeten zou een heel ander model moeten worden opgesteld. Aangezien alle zeven planeten opmerkelijk vergelijkbare dichtheden hebben is het waarschijnlijker dan alle planeten een vergelijkbare bulksamenstelling hebben waardoor dit vierde scenario onwaarschijnlijk maar niet geheel is uit te sluiten. Dankzij de zeer nauwkeurige massa- en diameter metingen van de exoplaneten in het TRAPPIST-1 systeem hebben astronomen de totale dichtheid van deze planeten met een ongekende nauwkeurigheid kunnen berekenen. Dichtheidsmetingen zijn een cruciale eerste stap bij het bepalen van de samenstelling en structuur van exoplaneten maar ze moeten worden geïnterpreteerd aan de hand van wetenschappelijke modellen over de structuur van planeten. Credit: NASA/JPL-Caltech

De rode dwergster TRAPPIST-1 is het thuis van de grootste groep aardachtige planeten die we ooit in een stersysteem hebben aan getroffen. Ze zijn ongeveer 40 lichtjaar van ons verwijderd. Deze zeven rotsplaneten zijn een goed voorbeeld van de grote variëteit aan planeetsystemen in het heelal.

Een nieuw onderzoek, gepubliceerd in Planetary Science Journal, laat zien dat de planeten van TRAPPIST-1 grote overeenkomsten in dichtheid vertonen. Dat zou kunnen betekenen dat ze allemaal dezelfde verhouding aan materialen bevatten van waaruit men denkt dat aardse planeten bestaan: ijzer, zuurstof, magnesium en silicium. Maar als dit zo is dan moet de verhouding heel anders zijn dan op Aarde want de dichtheid van de TRAPPIST-1 planeten is ongeveer 8% kleiner als ze zouden zijn als ze dezelfde samenstelling zouden hebben als de Aarde. Uitgaande van die conclusie hebben de onderzoekers enkele mengsels van ingrediënten voorgesteld die overeenkomen met de gemeten dichtheden van de TRAPPIST-1 planeten.

Enkele van deze planeten zijn al sinds 2016 bekend toen astronomen aankondigden dat ze drie planeten hadden ontdekt bij de ster TRAPPIST-1. Deze ontdekking werd gedaan met de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chili. Vervolgwaarnemingen van de inmiddels gepensioneerde Spitzer Space Telescope in combinatie met telescopen op Aarde bevestigden twee van de oorspronkelijke planeten en vonden nog eens vijf nieuwe. Spitzer werd in januari 2020 buiten gebruik gesteld maar daarvoor bestudeerde de telescoop gedurende meer dan 1000 uur het stersysteem. TRAPPIST-1 is ook met behulp van de ook al gepensioneerde Kepler Space Telescope en de Hubble Space Telescope bestudeerd.

Alle zeven planeten bevinden zich erg dicht bij hun ster. Ze zouden allemaal binnen de baan van Mercurius vallen. De planeten werden gevonden met behulp van de transitiemethode: wetenschappers kunnen de planeten niet rechtstreeks waarnemen (ze zijn veel te klein en te lichtzwak ten opzichte van hun ster) maar als ze voorlangs de ster bewegen veroorzaken ze wel kleine dipjes in de helderheid van de ster.

Het TRAPPIST-1 systeem vergeleken met ons zonnestelsel — Deze afbeelding geeft de gemeten eigenschappen weer van de zeven TRAPPIST-1 planeten (aangeduid met b t/m h), en laat zien hoe dicht ze bij elkaar staan en hoe ze zich verhouden tot de Aarde en de andere aardse planeten in ons zonnestelsel. De relatieve grootte van de planeten is aangeduid met behulp van cirkels. Alle bekende TRAPPIST-1 planeten zijn groter dan Mars, met vijf planeten binnen 15% van de diameter van de Aarde. De corresponderende bewoonbare zones van de twee planetenstelsels, gebieden waar aardse planeten mogelijk vloeibaar water aan hun oppervlak kunnen hebben, wordt aangegeven nabij de bovenkant van de afbeelding. De afwijking tussen de twee zones wordt veroorzaakt doordat de koelere TRAPPIST-1 ster meer licht op infrarode golflengtes uitzendt en die straling wordt efficiënter geabsorbeerd door een aardachtige atmosfeer. Omdat er minder verlichting nodig is om dezelfde temperaturen te bereiken verschuift de bewoonbare zone verder van de ster. De massa’s en dichtheden van de TRAPPIST-1 planeten werden bepaald door zorgvuldige metingen van kleine variaties in de timing van hun banen. Deze metingen werden gedaan met behulp van de Spitzer en Kepler ruimtetelescopen. De gegevens werden gecombineerd met data van de Hubble en een aantal telescopen op Aarde. De laatste analyse, die het volledige record van meer dan 1000 waarneemuren van de Spitzer bevat, heeft de onzekerheden van de massametingen teruggebracht tot slechts 2-3%. Dit zijn verreweg de meest nauwkeurige metingen van planetaire massa’s buiten ons zonnestelsel ooit gedaan. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Herhaalde waarnemingen van dipjes van het sterlicht gecombineerd met metingen van de tijden van de planeetbanen zorgt er voor dat astronomen de massa en diameters van planeten kunnen berekenen. Als die bekend zijn dan kan hieruit ook de dichtheid van een planeet worden berekend. Eerdere berekeningen wezen uit dat de planeten ongeveer de grootte en de massa van de Aarde hebben en dat ze dus rotsachtig moeten zijn, dit in tegenstelling tot de gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus. Het nieuwe artikel zorgt voor de meest nauwkeurige dichtheidsmetingen tot nu toe voor planeten buiten ons zonnestelsel.

IJzer heerst

Hoe beter wetenschappers de dichtheid van een planeet weten hoe beter ze de grenzen van de samenstelling kunnen plaatsen. Bedenk dat een presse-papier ongeveer even groot kan zijn als een honkbal maar meestal veel zwaarder is. Samen onthullen de grootte en het gewicht de dichtheid van elk object en van daaruit is het mogelijk om af te leiden dat de honkbal is gemaakt van iets lichters (touw of leer) en de presse-papier is gemaakt van zwaarder materiaal (meestal glas of metaal).

De dichtheden van de acht planeten in ons eigen zonnestelsel varieert nogal. De opgezwollen door gassen gedomineerde reuzen zoals Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus zijn groter maar hebben een lagere dichtheid dan de vier aardse planeten omdat ze voornamelijk bestaan uit waterstof en helium. Zelfs binnen de vier aardse planeten zijn er verschillen in dichtheid die wordt bepaald door zowel de samenstelling van een planeet als de compressie als gevolg van de zwaartekracht van de planeet zelf. Door het effect van de zwaartekracht te verrekenen kunnen wetenschappers de ongecomprimeerde dichtheid berekenen en mogelijk meer te weten komen over de samenstelling van de planeet.

De zeven TRAPPIST-1 planeten hebben vergelijkbare dichtheden; de waardes verschillen niet meer dan 3%. Dit maakt het systeem heel anders dan het onze. Het verschil in dichtheid tussen de TRAPPIST-1 planeten en de Aarde en Venus lijkt misschien klein, ongeveer 8%, maar op een planetaire schaal is het wel significant. Een manier om bijvoorbeeld te verklaren waarom de TRAPPIST-1 planeten een kleinere dichtheid hebben is dat ze een vergelijkbare samenstelling hebben als de Aarde maar wel met een lager percentage ijzer; ongeveer 21% vergeleken met de 32% van de Aarde.

Als alternatief kan het ijzer in de TRAPPIST-1 planeten veel meer zuurstof bevatten waardoor er ijzeroxide (roest) wordt gevormd. De extra zuurstof zou de dichtheid van de planeten verminderen. Het oppervlak van Mars krijgt zijn rode kleur door de aanwezigheid van grote hoeveelheden ijzeroxide maar net als zijn drie aardse collega’s heeft de planeet een kern die bestaat uit niet-geoxideerd ijzer. Als daarentegen de lagere dichtheid van de TRAPPIST-1 planeten volledig zou worden veroorzaakt door geoxideerd ijzer dan zouden de planeten volledig roestig moeten zijn en zouden ze geen vaste kernen meer hebben.

Volgens de onderzoekers ligt het antwoord mogelijk in een combinatie van de twee scenario’s: minder ijzer in het algemeen en wat meer geoxideerd ijzer.

Het team onderzocht ook of het oppervlak van elke planeet bedekt zou kunnen zijn met water want dit is nog lichter dan ijzeroxide en het zou ook de algehele dichtheid van de planeet veranderen. Als dat het geval zou zijn dan zou water ongeveer 5% van de totale massa van de vier buitenste planeten moeten uitmaken. Op Aarde maakt water minder dan 0,1% uit van de totale massa van de planeet.

Omdat ze te dicht bij hun ster staan om vloeibaar water aan hun oppervlak te hebben zouden de drie binnenste TRAPPIST-1 planeten een dikke, hete atmosfeer moeten hebben, vergelijkbaar met Venus en zou water als stoom aan de planeet moeten zijn verbonden. Deze verklaring lijkt echter onwaarschijnlijk omdat alle zeven planeten dan net genoeg water moeten hebben om eenzelfde dichtheid te verkrijgen.

Astronomen zijn pas sinds ongeveer 30 jaar planeten buiten ons zonnestelsel aan het bestuderen. Het TRAPPIST-1 systeem is fascinerend omdat men rond een enkele ster kan leren over de diversiteit van aardse planeten binnen een enkel systeem. Astronomen kunnen meer leren over een planeet door ook zijn buren te bestuderen en daar is het TRAPPIST-1 systeem dus uitermate geschikt voor.

Artikel: Refining the Transit-timing and Photometric Analysis of TRAPPIST-1: Masses, Radii, Densities, Dynamics, and Ephemerides

Eerste publicatie: 26 januari 2021
Bron: NASA