We weten dat de aarde een ijzeren kern heeft met daaromheen een mantel van silicaatgesteente en water (oceanen) aan het oppervlak. De wetenschap heeft dit eenvoudige planetenmodel tot op de dag van vandaag gebruikt om exoplaneten te onderzoeken, planeten die buiten ons zonnestelsel rond een andere ster draaien. “Pas de laatste jaren zijn we ons gaan realiseren dat planeten complexer zijn dan we dachten,” zegt Caroline Dorn, hoogleraar Exoplaneten aan de ETH Zürich.
De meeste exoplaneten die nu bekend zijn, bevinden zich dicht bij hun ster. Dit betekent dat ze voornamelijk bestaan uit hete werelden met oceanen van gesmolten magma die nog niet zijn afgekoeld tot een vaste mantel van silicaat zoals de aarde. Water lost heel goed op in deze magma-oceanen, in tegenstelling tot bijvoorbeeld kooldioxide, dat snel ontgast en opstijgt in de atmosfeer. De ijzeren kern bevindt zich onder de gesmolten mantel van silicaten. Hoe wordt het water dan verdeeld tussen de silicaten en het ijzer? Dat is precies wat Dorn in samenwerking met Haiyang Luo en Jie Deng van Princeton University heeft onderzocht met behulp van modelberekeningen op basis van fundamentele natuurkundige wetten. De onderzoekers presenteren hun resultaten in het tijdschrift Nature Astronomy.
Magmasoep met water en ijzer
Om de resultaten te verklaren, moet Dorn in detail treden: “De ijzerkern heeft tijd nodig om zich te ontwikkelen. Een groot deel van het ijzer bevindt zich aanvankelijk in de hete magmasoep in de vorm van druppeltjes.” Het water in deze soep verbindt zich met deze ijzerdruppeltjes en zakt mee naar de kern. “De ijzerdruppels gedragen zich als een lift die door het water naar beneden wordt getransporteerd,” legt Dorn uit. Tot nu toe was dit gedrag alleen bekend voor gematigde drukken zoals die ook in de aarde voorkomen. Het was niet bekend wat er gebeurt bij grotere planeten met een hogere inwendige druk. “Dit is een van de belangrijkste resultaten van onze studie,” zegt Dorn. “Hoe groter de planeet en hoe groter de massa, hoe meer het water de neiging heeft om met de ijzerdruppels mee te gaan en in de kern te integreren. Onder bepaalde omstandigheden kan ijzer tot 70 keer meer water opnemen dan silicaten. Door de enorme druk in de kern neemt het water echter niet langer de vorm aan van H2O-moleculen, maar is het aanwezig in de vorm van waterstof en zuurstof.
Grote hoeveelheden water bevinden zich ook binnenin de aarde
Aanleiding voor dit onderzoek was het onderzoek naar de waterinhoud van de aarde, dat vier jaar geleden een verrassend resultaat opleverde: de oceanen aan het aardoppervlak bevatten slechts een klein deel van al het water van onze planeet. De inhoud van meer dan 80 van de oceanen op aarde zou verborgen kunnen zijn in het binnenste van de aarde. Dit blijkt uit simulaties die berekenen hoe water zich gedraagt onder omstandigheden zoals die heersten toen de aarde jong was. Experimenten en seismologische metingen zijn dienovereenkomstig compatibel. De nieuwe bevindingen over de verspreiding van water in planeten hebben dramatische gevolgen voor de interpretatie van astronomische observatiegegevens. Met hun telescopen in de ruimte en op aarde kunnen astronomen onder bepaalde omstandigheden het gewicht en de grootte van een exoplaneet meten. Ze gebruiken deze berekeningen om massa-radiusdiagrammen op te stellen waarmee conclusies kunnen worden getrokken over de samenstelling van de planeet. Als daarbij, zoals tot nu toe het geval was, de oplosbaarheid en de verdeling van water worden genegeerd, kan het volume water dramatisch worden onderschat, tot wel tien keer. “Planeten zijn veel waterrijker dan tot nu toe werd aangenomen,” zegt Dorn.
De evolutiegeschiedenis begrijpen
De verdeling van water is ook belangrijk als we willen begrijpen hoe planeten zich vormen en ontwikkelen. Het water dat naar de kern is gezonken, blijft daar voor altijd vastzitten. Maar het water dat is opgelost in de magma-oceaan van de mantel kan tijdens het afkoelen van de mantel ontgassen en naar het oppervlak stijgen. “Dus als we water in de atmosfeer van een planeet vinden, is er waarschijnlijk nog veel meer in het binnenste van de planeet,” legt Dorn uit. Dit is wat de James Webb Space Telescope, die al twee jaar gegevens vanuit de ruimte naar de aarde stuurt, probeert te vinden. Hij kan moleculen in de atmosfeer van exoplaneten opsporen. “Alleen de samenstelling van de bovenste atmosfeer van exoplaneten kan direct worden gemeten,” legt de wetenschapper uit. “Onze groep wil de verbinding leggen van de atmosfeer naar het binnenste van hemellichamen.” De nieuwe gegevens van de exoplaneet met de naam TOI-270d zijn bijzonder interessant. “Daar is bewijs verzameld voor het daadwerkelijk bestaan van dergelijke interacties tussen de magma-oceaan in zijn binnenste en de atmosfeer,” zegt Dorn, die betrokken was bij de bijbehorende publicatie over TOI-270d. Op haar lijst van interessante objecten die ze nader wil onderzoeken staat ook de planeet K2-18b, die de krantenkoppen haalde vanwege de waarschijnlijkheid dat er leven op zou zijn.
Zijn waterwerelden dan toch levensondersteunend?
Water is een van de voorwaarden voor de ontwikkeling van leven. Er is lang gespeculeerd over de mogelijke bewoonbaarheid van superaardes met een overvloed aan water, dat zijn planeten met een massa die vele malen groter is dan de aarde en met een oppervlak dat bedekt is met een diepe, wereldwijde oceaan. Toen suggereerden berekeningen dat te veel water vijandig zou kunnen zijn voor leven. Het argument was dat in deze waterwerelden een laag exotisch hogedrukijs de uitwisseling van vitale stoffen op het grensvlak tussen de oceaan en de mantel van de planeet zou verhinderen. De nieuwe studie komt nu tot een andere conclusie: planeten met diepe waterlagen komen waarschijnlijk maar zelden voor, omdat het meeste water op superaardes zich niet aan het oppervlak bevindt, zoals tot nu toe werd aangenomen, maar in de kern zit opgesloten. Dit leidt de wetenschappers tot de veronderstelling dat zelfs planeten met een relatief hoog watergehalte de potentie hebben om op de aarde lijkende leefomstandigheden te ontwikkelen. Zoals Dorn en haar collega's concluderen, werpt hun studie dus een nieuw licht op het mogelijke bestaan van werelden met een overvloed aan water die leven zouden kunnen ondersteunen.
Bron: Nature Astronomy/EurekAlert!
