Hoe kunnen twee planeten die in sommige opzichten zo op elkaar lijken zulke verschillende dichtheden hebben? Volgens een nieuwe studie kan een catastrofale botsing de schuld zijn.
In ons zonnestelsel zijn alle binnenplaneten kleine rotsachtige werelden met vergelijkbare dichtheden, terwijl de buitenste planeten gasreuzen zijn met hun eigen vergelijkbare dichtheden. Maar niet alle zonnestelsels zijn zoals de onze.
De Kepler-missie ontdekte tijdens zijn negenjarige bestaan een grote verscheidenheid aan exoplaneten. Dankzij die missie kennen we nu alleen al 2000 bevestigde exoplaneten die minder dan drie aardstralen hebben. En hoewel deze 2000 planeten een vrij beperkt bereik van afmetingen hebben, kan hun dichtheid sterk variëren.
Het nieuwe artikel is gepubliceerd in Nature Astronomy door astronomen Aldo S. Bonomo en Mario Damasso van het Istituto Nazionale Di Astrofisica (INAF), en door Centre for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) astrofysicus Li Zeng. Een groot team van collega's die te talrijk waren om op te noemen, was ook bij het onderzoek betrokken.
Sommige van de 2000 eerder genoemde exoplaneten hebben een lagere dichtheid dan de gasreus Neptunus, die bestaat uit vluchtige stoffen met een lage dichtheid, terwijl sommige een hogere dichtheid hebben dan de aarde, die voornamelijk uit gesteente bestaat (ongeveer 32% ijzer). Een nieuwe studie onderzocht exoplaneten in het Kepler-107-systeem om te proberen te begrijpen hoe planeten in hetzelfde systeem en met vergelijkbare afmetingen zo'n breed scala aan dichtheden kunnen hebben.
Het team richtte zich op het Kepler-107-systeem omdat het vier planeten van sub-Neptunusformaat bevat: Kepler-107b, c, d en e. De twee binnenste planeten, 107b en 107c, hebben bijna identieke stralen van 1,5 en 1,6 aardstralen, maar 107c is meer dan tweemaal zo dicht als 107b. Hoe kunnen deze tweelingen, die deel uitmaken van een zeer compact planetenstelsel, zulke verschillende samenstellingen hebben?
"Dit is een van de vele interessante exoplaneetsystemen die de Kepler-ruimtetelescoop heeft ontdekt en gekarakteriseerd."
Li Zeng, Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University.
Het korte antwoord is dat ze zich onder zeer verschillende omstandigheden hebben gevormd, of dat er na de vorming iets dramatisch is gebeurd om hun dichtheid zo drastisch te veranderen.
Vóór Kepler hadden astronomen alleen ons eigen zonnestelsel. En in ons systeem lijkt het erop dat Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus zich in de buitenste regionen van de protoplanetaire schijf hebben gevormd uit koude ijsjes en gassen die het grootste deel van het materiaal in het buitenste zonnestelsel vormden. In de binnenste regionen van het jonge zonnestelsel werden de rotsachtige planeten gevormd uit materialen die de straling van de zon overleefden, zoals silicaten en ijzer.
Maar de Kepler-missie liet ons zien dat wat we beschouwen als de norm, namelijk ons eigen zonnestelsel, slechts één pad is dat zonnestelsels kunnen volgen. Kepler ontdekte tal van zogenaamde "Hot Jupiters", grote, gasvormige werelden die heel dicht bij hun eigen sterren cirkelden. Deze enorme gasreuzen hadden niet zo dicht bij hun sterren kunnen zijn gevormd, omdat de gassen waaruit ze waren gevormd, niet zo dicht bij hun ster zouden hebben overleefd. Ze moeten verder weg zijn gevormd en vervolgens zijn gemigreerd.
Er zijn aanwijzingen dat Jupiter zich in de buitenste regionen van ons zonnestelsel heeft gevormd en vervolgens dichter naar de zon is gemigreerd voordat hij zijn weg naar zijn huidige baan vond. Maar voor zover we weten, migreerden de innerlijke rotsachtige planeten niet: ze vormden zich in het innerlijke zonnestelsel en bleven hier.
Het Kepler 107-systeem laat ons ook zien dat zonnestelsels zich anders kunnen vormen dan de onze, en dat een catastrofale botsing tussen twee werelden hun dichtheid kan veranderen.
Kepler 107b en 107c hebben radii van 1,53 en 1,59 aardstralen, orbitale perioden van 3,18 en 4,9 dagen, maar dichtheden van respectievelijk 5,3 en 12,65 gram per kubieke centimeter. Wat verklaart de enorme ongelijkheid in dichtheden? Als zonnestraling verantwoordelijk was, door vluchtige stoffen af te koken, zouden dan niet beide planeten eraan zijn blootgesteld? Ook heeft de buitenste planeet de grotere dichtheid, niet de binnenste.
Het team van astronomen beweert dat het een catastrofale botsing is die verantwoordelijk is voor de ongelijksoortige dichtheden.
Wat ze denken dat er is gebeurd, is dat Kepler 107c, de buitenste en dichtere planeet, een catastrofale botsing heeft gehad die zijn silicaatmantel heeft verwijderd, waardoor alleen de ijzeren kern overblijft.
"Dit is een van de vele interessante exoplaneetsystemen die de Kepler-ruimtetelescoop heeft ontdekt en gekarakteriseerd", zegt Li Zeng van Harvard. “Deze ontdekking bevestigt eerder theoretisch werk dat suggereert dat gigantische impact tussen planeten een rol heeft gespeeld tijdens de vorming van planeten. De TESS-missie zal naar verwachting meer van dergelijke voorbeelden vinden. ”
Planetaire botsingen zijn geen nieuw idee. Er zijn aanwijzingen dat de maan van de aarde is ontstaan als gevolg van een catastrofale botsing tussen de aarde en een ander lichaam genaamd Theia. Dit nieuwe onderzoek suggereert dat ze veel vaker voorkomen dan gedacht.
Als catastrofale verstoringen vaak voorkomen in planetaire systemen, voorspellen astronomen dat ze veel andere voorbeelden zullen vinden, zoals Kepler-107, aangezien een toenemend aantal exoplaneetdichtheden nauwkeuriger wordt bepaald.
Bronnen:
- Research Paper: Een gigantische impact als de waarschijnlijke oorsprong van verschillende tweelingen in het Kepler-107 exoplaneetsysteem
- Persbericht: botsende exoplaneten
- Wikipedia: Kepler-107
- Cal-Tech: Hot Jupiters
- Wikipedia: Hot Jupiter
