Begrippen - definities

Wat zijn gasreuzen?

De buitenste planeten van het zonnestelsel, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, helpen ons bij het onderzoeken van veel verder weg gelegen werelden.

Ons zonnestelsel
Overzicht van het zonnestelsel

Een gasreus is een grote planeet die voornamelijk bestaat uit gassen zoals waterstof en helium, met een relatief kleine rotsachtige kern. De gasreuzen van ons zonnestelsel zijn Jupiter, Saturnus,, Uranus en Neptunus.

Deze vier grote planeten bevinden zich in het buitenste deel van ons zonnestelsel, voorbij de banen van mars en de asteroïdengordel. Maar de werelden verschillen nogal van elkaar. Jupiter en Saturnus zijn aanzienlijk groter dan Uranus en Neptunus en elk paar planeten (Jupiter, Saturnus versus Uranus, Neptunus) heeft een iets andere samenstelling.

Hoewel er slechts vier grote planeten in ons zonnestelsel zijn hebben astronomen er duizenden buiten ons zonnestelsel gevonden. Deze exoplaneten (zoals ze worden genoemd) worden onderzocht om meer te weten te komen over hoe ons zonnestelsel is ontstaan en om het ontstaan van ons zonnestelsel te vergelijken met die planetaire systemen die er heel anders uit zouden kunnen zien.

Vermoedelijk is een van de eerste gebruiken van het woord “gasreus” om naar een grote planeet te verwijzen afkomstig uit een sciencefictionstuk uit 1952 van de auteur James Blish. Op het moment dat Blish dit schreed was er nog geen planeet buiten ons zonnestelsel gevonden en ook waren er nog geen ruimtesondes vanaf de Aarde opgestegen.

Dit betekende dat in zijn tijd alles wat we wisten over de planeten afkomstig was van telescopische waarnemingen, astronomische theorieën en datasets die net ontstonden door de opkomende computermodellen van dit tijd. Het zou tientallen jaren duren voordat meer informatie aan het licht kwam.

De eerste vlucht van een ruimtesonde langs Jupiter vond plaats in 1972 door de Pioneer 10 en in 1992 werden de eerste exoplaneten gevonden rond de pulsar PSR 1257+12. Het onderzoeksgebied van gasreuzen is in de decennia daarna snel gediversifieerd en uitgebreid.

Onderzoekselementen die in recente jaren de aandacht trokken van wetenschappers waren onder andere discussies over ringen bij gasreuzen en het achterhalen van de bron van aurora’s.  Omdat veel gasvormige planeten die rond andere sterren zijn gevonden aanzienlijk andere kenmerken vertonen dan die in ons zonnestelsel heeft de studie van gigantische planeten een enorm multidisciplinair potentieel als ontmoetingspunt tussen planetaire en exoplanetaire gemeenschappen

De komende decennia zullen er veel ontdekkingen gedaan worden en dat komt door de groeiende integratie van machine learning en kunstmatige intelligentie. Bovendien zullen er verschillen nieuwe telescopen het licht zien. De James Webb Space Telescope zal halverwege 2022 operationeel zijn en aan het eind van het decennium zal ook de Europese Extremely Large Telescope een grote bijdrage gaan leveren aan het onderzoek van exoplaneten.

Astronomen hebben ook al een schat aan gegevens over exoplaneten die met observatoria zoals de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) van de NASA, de gepensioneerde Kepler Space Telescope van de NASA en de High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher op de 3,6 meter telescoop van de ESO in Chili. Begin 2022 waren er al meer dan 5000 exoplaneten gevonden, waarvan een groot deel gasreuzen.

Transiting Exoplanet Survey Satellite
Om naar exoplaneten te zoeken gebruikt TESS vier grote camera’s die steeds gedurende 27 dagen een gebied van 24° bij 96° aan de sterrenhemel in de gaten houden. Enkele van die secties overlappen elkaar zodat een gedeelte van de sterrenhemel gedurende een jaar wordt bestudeerd. TESS concentreert zich op sterren die tot 300 lichtjaar van de Aarde zijn verwijderd. De telescoop kijkt naar transities, kleine periodieke dipjes in de helderheid van de ster die worden veroorzaakt door een object, zoals een planeet, die voorlangs de ster trekt.

De gasreuzen van ons zonnestelsel

Jupiter is de grootste planeet in het zonnestelsel. Jupiter is met het blote oog zichtbaar en al in de oudheid bekend. De planeet heeft een straal van bijna 11 keer de straal van de Aarde en telt tientallen manen. De planeet bestaat voornamelijk uit waterstof en helium rond een dichte kern van gesteente en ijs waarvan het grootste deel waarschijnlijk uit vloeibaar metallisch waterstof bestaat. Dit zorgt voor een enorm groot en krachtig magneetveld. De atmosfeer van de planeet bestaat voornamelijk uit waterstof, helium, ammoniak en methaan.

Saturnus heeft een straal van ongeveer negen keer de straal van de Aarde. Ook Saturnus was al in de oudheid bekend. De planeet wordt gekenmerkt door grote ringen waarvan we de oorsprong niet kennen. Er zijn enkele tientallen manen bekend bij de planeet. Net als Jupiter bestaat Saturnus voornamelijk uit waterstof en helium die een dichte kern omringen. De atmosfeer is vergelijkbaar met die van Jupiter.

Juno fotografeert de wolken van Jupiter
De Noordelijke gematigde gordel die op 29 oktober 2018 werd gefotografeerd door de ruimtesonde Juno. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Uranus heeft een straal van ongeveer vier keer de Aarde en is de eerste gasreus die met een telescoop werd gevonden. Uranus is de enige planeet die op zijn kant ligt en hij draait ook achterwaarts ten opzichte van de andere planeten met uitzondering van Venus. Dit impliceert dat er in het verleden een enorme botsing heeft plaatsgevonden. De planeet heeft tientallen manen en de atmosfeer bestaat uit waterstof, helium en methaan. Uranus werd in 1781 ontdekt door William Herschel. Tot nu toe is de planeet slechts door één ruimtesonde bezocht. In 1986 maakte de Voyager 2 een scheervlucht langs de planeet. Enkele vreemde dingen die op Uranus zijn waargenomen zijn de onverklaarbare lage temperaturen en de complexe atmosfeer.

Ook Neptunus heeft een straal van ongeveer vier keer de Aarde. Net als Uranus bestaat de atmosfeer grotendeels uit waterstof, helium en methaan. De planeet werd in 1846 ontdekt en in 1989 was de Voyager 2 de eerste, en tot nu enige ruimtesonde, die de planeet bezocht. Er zijn meer dan een dozijn manen bekend bij Neptunus. Op de planeet komen zeer hoge windsnelheden voor.

Artist impressie TOI-824b in het sterrenbeeld Circinus - Passer
Een artist impressie van de hete Neptunus TOI-824b en zijn moederster TOI-824. De ster is ook bekend als SCR J1448-5735, TYC 8688-915-1, TIC 193641523 en 2MASS J14483982-5735175. De ster heeft een grootte en massa van ongeveer 70% van de Zon. De ster is ongeveer 11 miljard jaar oud. Credit: Sci-News.com.

Gasreuzen buiten ons zonnestelsel

Super-Aardes: astronomen hebben in andere zonnestelsels een groot aantal “super-Aardes” (planeten tussen de grootte van de Aarde en Neptunus) gevonden. Er zijn geen super-Aardes bekend in ons eigen zonnestelsel en hoewel sommige astronomen speculeren dat er een “planeet negen” op de loer ligt in de buitenste delen van het zonnestelsel is die nog niet gevonden. Wetenschappers bestuderen deze categorie planeten om erachter te komen of super-Aardes meer lijken op kleine gasreuzen of op grote aardse planeten. Het is ook onduidelijk of deze planeten leven kunnen herbergen en hoeveel water er op hun oppervlak zou kunnen zijn.

Hete Jupiters: Dit zijn planeten ter grootte van Jupiter of groter die heeft dicht bij hun moedersterren draaien. Hoe ze daar zijn gekomen wordt nog bestudeerd maar de twee belangrijkste theorieën (simpel gezegd) zeggen dat ze ofwel daar zijn ontstaan of wel van baan zijn veranderd. Deze exoplaneten waren de eersten die werden gevonden en dat komt doordat ze zo massief zijn en zo dicht bij hun moedersterren draaien dat ze grote “schommelingen” in de zwaartekracht van de ster veroorzaken. Hierdoor zijn ze relatief gemakkelijk te zien.

TOI-1518b en zijn ster
Artist rendering van de ultra hete Jupiter TOI-1518b en zijn moederster. Credit: Sci-news.com

Ontstaan en kans op leven

Astronomen denken dat gasreuzen eerst ontstonden als rotsachtige en ijzige planeten, vergelijkbaar met aardse planeten. Door de grootte van de kernen konden deze planeten (met name Jupiter en Saturnus) echter waterstof en helium uit de gaswolk halen waaruit de Zon condenseerde, voordat de Zon ontstond en het grootste deel van het gas wegblies.

Omdat Uranus en Neptunus kleiner zijn engrotere banen hebben was het voor hen moeilijker om waterstof en helium niet zo efficiënt te verzamelen als Jupiter en Saturnus. Dit verklaart waarschijnlijk waarom ze Kleiner zijn dan die twee planeten. Omdat ze zoveel kleiner zijn is hun atmosfeer op procentuele basis meer “vervuild” met complexere chemische verbindingen zoals methaan en ammoniak.

Het is onwaarschijnlijk dat gasreuzen leven herbergen zoals wij dat kennen. Het zijn enorme gasbollen zonder substantieel vast oppervlak. Dat gezegd hebbende, er is een mogelijkheid om microbiologisch leven te vinden op hun verschillende ijzige manen of misschien zijn er andere mogelijkheden van leven die de wetenschap nog niet heeft overwogen. Een groot onderzoek heeft overigens uitgewezen dat zelfs de kleinere planeten met de grootte van de Aarde die we hebben gevonden vermoedelijk geen leven herbergen.

Manen

De gasreuzen in ons zonnestelsel hebben tientallen manen. Veel van die manen zijn samen met hun planeten ontstaan. Dat heeft men afgeleid uit het feit dat ze in dezelfde richting draaien als planeten en dat ze in de buurt van hun evenaar draaien (zoals de grote manen van Jupiter: Io, Europa, Ganymedes en Callisto). Maar er zijn uitzonderingen.

Triton, een grote maan van Neptunus draait tegengesteld aan de rotatierichting van de planeet om Neptunus heen. Dit wijst erop dat Triton werd ingevangen, misschien door de ooit grotere atmosfeer van Neptunus, toen de maan voorbijkwam. En er zijn veel kleine manen in het zonestelsel die ver van de evenaar van hun planeten draaien. Dit wijst erop dat ze ook door de grote aantrekkingskracht zijn ingevangen.

Een subset van manen, de ijsmanen genaamd, zou voorwaarden voor leven kunnen hebben want er is energie en vloeibaar water aanwezig dat microben zou kunnen ondersteunen. NASA stuurt de Europa Clipper en ESA de JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) richting de reuzenplaneet. Deze moeten meer te weten proberen te komen over de mogelijkheden voor leven op de verschillende manen van Jupiter. Er is ook hoop op een landingsmissie op een van de manen van Jupiter (of een andere ijsmaan elders in het zonnestelsel) later in de eeuw.

Het bestaan van een exomaan, een maan die om een exoplaneet draait, is nog steeds niet (begin 2022) definitief bevestigd. Maar ze komen steeds dichterbij. Om een exomaan te detecteren moeten we niet alleen de daling in helderheid zien die wordt veroorzaakt wanneer een planeet voor een ster passeert maar ook een kenmerkend dipje veroorzaakt door een maan. Manen zijn relatief klein en moeilijk te zien met onze huidige instrumenten. Maar de komende jaren worden er steeds grotere telescopen opgeleverd en bovendien verbetert de technologie snel dus astronomen kunnen binnenkort geluk hebben.

Lopend onderzoek

Met zo veel actieve missies in uitvoering of in voorbereiding voor deze verschillende werelden, om nog maar te zwijgen van telescoopstudies en computermodellen, kan onze kennis van gasreuzen snel veranderen. We verwijzen hier naar enkele algemene onderzoeksrichtingen:

Jupiter

In 2016 arriveerde de Juno ruimtesonde van de NSSA bij Jupiter. De ruimtesonde heeft de ringen van de planeet bestudeerd, deze ringen zijn veel ijler dan die van Saturnus en daardoor zijn ze eigenlijk alleen van dichtbij goed te bekijken. Juno duikt in de aurora’s van Jupiter om meer te weten te komen over hun oorsprong en verschillen met andere planeten. Juno duikt ook diep in de atmosfeer om meer te weten te komen over de wolken in de atmosfeer van de planeet. Onderzoekers zijn ook gefascineerd door het gedrag van de Grote Rode Vlek, een langdurig stormsysteem op het zuidelijk halfrond van Jupiter, dat lijkt te krimpen.

Saturnus

In 2017 rondde de Cassini ruimtesonde zijn onderzoek bij Saturnus af. De Cassini heeft meer dan 12 jaar onderzoek gedaan aan Saturnus en zijn manen. De wetenschap die Cassini heeft uitgevoerd duurt echter nog steeds voort. Wetenschappers zijn nog steeds bezig om de berg aan gegevens te verwerken. De ringen zijn gebruikt om de zwaartekracht van de planeet te onderzoeken en men is ook zeer geïnteresseerd in de verschillende ijsmanen rond de planeet die mogelijk leven bieden.

Uranus

De stormen van Uranus zijn een frequent doelwit voor zowel professionele astronomen als amateurastronomen die volgen hoe ze evolueren en veranderen in de loop van de tijd. Wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in de structuur van de ringen en de samenstelling van de atmosfeer. Recente studies hebben zich gericht op aspecten zoals het weer in de atmosfeer en de Trojaanse asteroïden die de planeet omringen.

De meest recente opnames van Neptunus en Uranus door de Hubble
Uranus (links) vertoont een opvallende ijskap op deze recente Hubble foto’s. op Neptunus (rechts) is een grote donkere storm zichtbaar. Credit Uranus: NASA, ESA en A. Simon/NASA Goddard Space Flight Center; Credit Neptunus: Mike Wong en Andrew Hsu, UC Berkeley)

Neptunus

Ook de stormen op Neptunus zijn een populair waarneemdoel en in 2018 wierpen die waarnemingen opnieuw hun vruchten af; werk van de Hubble Space Telescope toonde aan dat een langdurige storm nu aan het krimpen is. De onderzoekers merkten op dat de storm anders verdwijnt dan hun modellen hadden verwacht en dat toont aan dat ons begrip van de atmosfeer van Neptunus nog lang niet compleet is.

Exoplaneten

Onze zoektocht naar exoplaneten is eigenlijk nog maar net begonnen maar naarmate de dataset steeds groter wordt willen astronomen deze vragen beantwoord hebben: wat is een exoplaneet? Is er leven op andere planeten? Hoeveel exoplaneten zijn er? Waar kunnen we exoplaneten vinden en kunnen we hun locaties voorspellen? Ook gaat de zoektocht naar exomanen door.

Eerste publicatie: 3 juni 2022
Bron: space.com & anderen