Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Montreal heeft bewijs gevonden dat twee exoplaneten die rond een rode dwergster draaien "waterwerelden" zijn, waar water een groot deel van de hele planeet uitmaakt. Deze werelden, gelegen in een planetenstelsel op 218 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Lier, zijn anders dan alle andere planeten in ons zonnestelsel. Het team, onder leiding van Caroline Piaulet van het Trottier Institute for Research on Exoplanets (iREx) van de Universiteit van Montreal, publiceerde vandaag een gedetailleerde studie van dit planetenstelsel, bekend als Kepler-138, in het tijdschrift Nature Astronomy.
Piaulet en collega's namen de exoplaneten Kepler-138 c en Kepler-138 d waar met NASA's Hubble en de gepensioneerde Spitzer ruimtetelescopen en ontdekten dat de planeten grotendeels uit water zouden kunnen bestaan. Deze twee planeten en een kleinere metgezel dichter bij de ster, Kepler-138 b, waren al eerder ontdekt door NASA's Kepler Space Telescope. In de nieuwe studie zijn ook aanwijzingen gevonden voor een vierde planeet.
Water is niet direct ontdekt bij Kepler-138 c en d, maar door de afmetingen en massa's van de planeten te vergelijken met modellen, concluderen de astronomen dat een aanzienlijk deel van hun volume, tot wel de helft, moet bestaan uit materialen die lichter zijn dan steen, maar zwaarder dan waterstof of helium (die het grootste deel vormen van gasreuzen zoals Jupiter). Het meest voorkomende van deze kandidaat-materialen is water. "Eerder dachten we dat planeten die iets groter waren dan de aarde grote ballen van metaal en rots waren, zoals opgeschaalde versies van de aarde, en daarom noemden we ze superaardes," verklaarde Björn Benneke, co-auteur van de studie en hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Montreal. "We hebben nu echter aangetoond dat deze twee planeten, Kepler-138 c en d, heel anders van aard zijn en dat een groot deel van hun totale volume waarschijnlijk uit water bestaat. Dit is het beste bewijs tot nu toe voor waterwerelden, een type planeet waarvan astronomen lange tijd het bestaan hebben getheoretiseerd."
Met een volume dat meer dan drie keer zo groot is als dat van de aarde en een massa die twee keer zo groot is, hebben planeten c en d een veel lagere dichtheid dan de aarde. Dit is verrassend omdat de meeste planeten die net iets groter zijn dan de aarde en die tot nu toe in detail zijn bestudeerd, allemaal rotsachtige werelden zoals de onze leken te zijn. De beste vergelijking, zeggen de onderzoekers, zouden sommige van de ijzige manen in het buitenste zonnestelsel zijn, die ook grotendeels bestaan uit water rond een rotsachtige kern.
"Stel je grotere versies voor van Europa of Enceladus, de waterrijke manen rond Jupiter en Saturnus, maar dan veel dichter bij hun ster gebracht," legt Piaulet uit. "In plaats van een ijzig oppervlak zouden zij een grote waterdampomhulling hebben." De onderzoekers waarschuwen dat de planeten mogelijk geen oceanen hebben zoals op aarde, direct aan het oppervlak van de planeet. "De temperatuur in de atmosfeer van Kepler-138 d ligt waarschijnlijk boven het kookpunt van water, en we verwachten een dikke dichte atmosfeer van stoom op deze planeet. Alleen onder die stoomatmosfeer zou zich mogelijk vloeibaar water onder hoge druk kunnen bevinden, of zelfs water in een andere fase die bij hoge druk voorkomt, een superkritische vloeistof genoemd," aldus Piaulet.
In 2014 konden astronomen dankzij gegevens van NASA's Kepler-ruimtetelescoop aankondigen dat er drie planeten rond Kepler-138 draaien. Dit was gebaseerd op een meetbare dip in het sterlicht als de planeet even voor hun ster langs ging. Benneke en zijn collega Diana Dragomir, van de Universiteit van New Mexico, kwamen op het idee om het planetenstelsel tussen 2014 en 2016 opnieuw te observeren met de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen om meer transits van Kepler-138 d, de derde planeet in het stelsel, op te vangen en zo zijn atmosfeer te bestuderen.
Een nieuwe exoplaneet in het systeem
De twee mogelijke waterwerelden, Kepler-138 c en d, bevinden zich niet in de bewoonbare zone, het gebied rond een ster waar de temperatuur vloeibaar water op het oppervlak van een rotsachtige planeet mogelijk zou maken. Maar in de Hubble- en Spitzer-gegevens vonden de onderzoekers bovendien aanwijzingen voor een nieuwe planeet in het systeem, Kepler-138 e, in de bewoonbare zone. Deze nieuw gevonden planeet is klein en staat verder van zijn ster dan de drie andere: het duurt 38 dagen om een baan te voltooien. De aard van deze extra planeet blijft echter een open vraag, omdat hij niet door zijn ster lijkt te trekken. Door de overgang van de exoplaneet te observeren, hadden astronomen zijn grootte kunnen bepalen.
Met Kepler-138 e nu in beeld, werden de massa's van de eerder bekende planeten opnieuw gemeten via de transit timing-variatiemethode, waarbij kleine variaties in de precieze momenten van de planeetovergangen voor hun ster worden gevolgd, veroorzaakt door de zwaartekracht van andere planeten in de buurt. De onderzoekers hadden nog een verrassing: zij ontdekten dat de twee waterwerelden Kepler-138 c en d "tweelingplaneten" zijn, met vrijwel dezelfde grootte en massa, terwijl eerder werd gedacht dat zij drastisch van elkaar verschilden. De dichtstbijzijnde planeet, Kepler-138 b, is daarentegen bevestigd een kleine planeet van Mars-massa te zijn, een van de kleinste exoplaneten die tot nu toe bekend zijn.
"Als onze instrumenten en technieken gevoelig genoeg worden om planeten verder van hun sterren te vinden en te bestuderen, zullen we misschien veel meer van deze waterwerelden gaan vinden", concludeerde Benneke. De Hubble-ruimtetelescoop is een project van internationale samenwerking tussen NASA en ESA. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop. Het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, voert de wetenschappelijke activiteiten van de Hubble-telescoop uit. STScI wordt voor NASA beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy in Washington D.C.
Bron: NASA
