Witte dwergen zijn de overblijfselen van ooit schitterende hoofdreekssterren zoals onze zon. Ze zijn extreem dicht en fuseren niet meer. Het licht dat ze uitstralen is alleen afkomstig van restwarmte. Astronomen hebben getwijfeld of witte dwergen bewoonbare planeten kunnen herbergen, deels vanwege de tumultueuze weg die ze afleggen om witte dwergen te worden, maar nieuw onderzoek suggereert iets anders. Witte dwergen zijn zo klein dat hun bewoonbare zones net zo klein zouden zijn. Hun bewoonbare zones kunnen variëren van slechts 0,0005 tot 0,02 AE van de ster. Binnen dat bereik zouden planeten tidally locked zijn. De ene kant van de planeet zou last kunnen hebben van het op hol geslagen broeikaseffect, terwijl de andere kant frigide zou kunnen zijn. Een ander probleem betreft het bestaan van witte dwergplaneten zelf. Er zijn aanwijzingen dat ze bestaan, maar hun populatie is onbepaald.
Er zijn ongeveer 10 miljard witte dwergen (WDs) in de Melkweg en nieuw onderzoek in The Astrophysical Journal suggereert dat sommige daarvan levensvatbare planeten zouden kunnen herbergen. Het onderzoek is getiteld “Increased Surface Temperatures of Habitable White Dwarf Worlds Relative to Main-sequence Exoplanets. De hoofdauteur is Aomawa Shields, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan UC Irvine. “De ontdekkingen van reuzenplaneetkandidaten die rond witte dwergsterren (WD) draaien en de aangetoonde mogelijkheden van de James Webb Space Telescope brengen de mogelijkheid om rotsachtige planeten in de bewoonbare zones (habitable zones - HZ's) van WD's te detecteren onder de aandacht,” schrijven de auteurs. Als we meer WD-planeten vinden met de JWST of andere telescopen, hoe waarschijnlijk is het dan dat ze bewoonbaar zijn?
Dit onderzoek probeerde erachter te komen door twee aarde-achtige aqua-planeten (oceaanwerelden) te simuleren die rond twee verschillende sterren draaien. Ze zijn beide tidally locked, volgen cirkelvormige banen en hebben de massa, atmosferische samenstelling en oppervlaktedruk van de aarde. De ene bevindt zich in de HZ van een ster met een hoofdreeks genaamd Kepler-62 en de andere bevindt zich in de HZ van een hypothetische WD. Astronomen hebben al grote planeten ontdekt rond WDs, dus deze simulatie is gebaseerd op echte situaties.
“Hoewel witte dwergsterren nog steeds wat warmte afgeven door resterende nucleaire activiteit in hun buitenste lagen, vertonen ze in hun kern geen kernfusie meer. Daarom is er niet veel aandacht besteed aan het vermogen van deze sterren om bewoonbare exoplaneten te herbergen,” aldus hoofdauteur Shields in een persbericht. “Onze computersimulaties suggereren dat als er rotsachtige planeten in hun banen bestaan, deze planeten meer bewoonbaar gebied op hun oppervlak kunnen hebben dan eerder werd gedacht.”
Shields en haar medeonderzoekers gebruikten een 3D-klimaatmodel om planeten rond de sterren te simuleren. Beide planeten zijn tidally locked aan hun sterren. Hoewel beide sterren vergelijkbare effectieve temperaturen hebben, laten de resultaten zien dat het klimaat van de planeten aanzienlijk verschilt. De HZ rond de witte dwerg is veel dichterbij, wat betekent dat de planeet dichterbij staat. Die nabijheid betekent dat de planeet een hogere oppervlaktetemperatuur had en een veel snellere rotatieperiode, wat cruciaal is voor de resultaten.
“De wereldgemiddelde oppervlaktetemperatuur van de synchroon roterende WD-planeet is 25 K hoger dan die van de synchroon roterende planeet die rond K62 draait, vanwege zijn veel snellere (10 uur) rotatie en omlooptijd,” leggen de auteurs uit in hun artikel. De gesimuleerde planeet die om K62 draait had een veel langere omlooptijd, waardoor een grote massa waterdampwolken zich aan de dagkant kon ophopen. Deze wolken koelden een groter deel van het oppervlak van de planeet af, waardoor er minder bewoonbaar oppervlak overbleef. “De planeet die rond Kepler-62 draait heeft zoveel wolken dat hij te veel afkoelt, waardoor kostbare bewoonbare oppervlakte wordt opgeofferd,” aldus Shields. “Aan de andere kant draait de planeet die rond de witte dwerg draait zo snel dat hij nooit de tijd heeft om aan zijn dagzijde zo veel wolkendek op te bouwen, dus houdt hij meer warmte vast, en dat werkt in zijn voordeel,” aldus Shields.
De snellere rotatie van de WD-planeet liet de atmosfeer effectiever circuleren, waardoor het op hol geslagen broeikaseffect werd voorkomen. “Deze ultrasnelle rotatie genereert sterke zonale winden en meridionale stromen van zonaal momentum, waardoor de schaal van de atmosferische circulatie wordt uitgerekt en gehomogeniseerd en een gelijkwaardige opbouw van dikke, vloeibare waterwolken aan de dagkant van de planeet wordt voorkomen in vergelijking met de synchrone planeet die rond K62 draait,” aldus het artikel. De auteurs leggen ook uit dat dit warmte transporteert van hogere breedtegraden naar de evenaar en dat dit patroon wordt gezien in andere simulaties van planeten met een korte periode. “De wereldgemiddelde oppervlaktetemperatuur van de synchroon roterende WD-planeet is 25 K hoger dan die van de synchroon roterende planeet die rond K62 draait, vanwege zijn veel snellere (10 uur) rotatie en omlooptijd,” leggen de auteurs uit in hun artikel.
De gesimuleerde planeet die om K62 draait had een veel langere omlooptijd, waardoor een grote massa waterdampwolken zich aan de dagkant kon ophopen. Deze wolken koelden een groter deel van het oppervlak van de planeet af, waardoor er minder bewoonbaar oppervlak overbleef. “De planeet die rond Kepler-62 draait heeft zoveel wolken dat hij te veel afkoelt, waardoor kostbare bewoonbare oppervlakte wordt opgeofferd,” aldus Shields. “Aan de andere kant draait de planeet die rond de witte dwerg draait zo snel dat hij nooit de tijd heeft om aan zijn dagzijde zo veel wolkendek op te bouwen, dus houdt hij meer warmte vast, en dat werkt in zijn voordeel,” aldus Shields. De snellere rotatie van de WD-planeet liet de atmosfeer effectiever circuleren, waardoor het op hol geslagen broeikaseffect werd voorkomen. “Deze ultrasnelle rotatie genereert sterke zonale winden en meridionale stromen van zonaal momentum, waardoor de schaal van de atmosferische circulatie wordt uitgerekt en gehomogeniseerd en een gelijkwaardige opbouw van dikke, vloeibare waterwolken aan de dagkant van de planeet wordt voorkomen in vergelijking met de synchrone planeet die rond K62 draait,” aldus het artikel. De auteurs leggen ook uit dat dit warmte transporteert van hogere breedtegraden naar de evenaar en dat dit patroon wordt gezien in andere simulaties van planeten met een korte periode.
“We verwachten dat synchrone rotatie van een exoplaneet in de bewoonbare zone van een normale ster zoals Kepler-62 voor meer bewolking aan de dagkant van de planeet zorgt, waardoor inkomende straling van het planeetoppervlak wordt weggekaatst”, aldus Shields. “Dat is meestal een goede zaak voor planeten die dicht bij de binnenste rand van de bewoonbare zones van hun sterren draaien, waar ze een beetje kunnen afkoelen in plaats van hun oceanen te verliezen aan de ruimte in een op hol geslagen broeikas. Maar voor een planeet die precies in het midden van de bewoonbare zone draait, is het niet zo'n goed idee.”
Minder wolken aan de dagkant van WD-planeten, gecombineerd met een sterker broeikaseffect aan de nachtkant, zouden warmere, meer bewoonbare omstandigheden creëren dan op de Kepler-62-planeet, ondanks het feit dat de energie-output van WD langzaam afneemt in de loop van de tijd. Als deze resultaten kloppen, kunnen ze van grote invloed zijn op onze zoektocht naar exoplaneten in bewoonbare zones. “Witte dwergen kunnen daarom geschikte omgevingen zijn voor leven op planeten die gevormd zijn in of gemigreerd zijn naar hun HZ's. Ze genereren warmere oppervlakteomgevingen dan planeten met een hoofdreeksgastheer om te compenseren voor een steeds kleiner wordende stellaire flux,” leggen de auteurs uit.
“Deze resultaten suggereren dat de stellaire omgeving van witte dwergen, die ooit als ongastvrij voor leven werd beschouwd, nieuwe mogelijkheden biedt voor onderzoekers van exoplaneten en astrobiologie,” aldus Shields. Wat niet duidelijk is, is hoeveel planeten er rond WD's zijn. De overgang van een rode reus naar een WD is geen vreedzaam proces. Als rode reuzen uitdijen, slokken ze nabije planeten op en vernietigen ze die. Onze zon zal op een dag een rode reus worden en Mercurius, Venus en waarschijnlijk de aarde opslokken. Misschien zelfs Mars.
Deze vernietigde planeten kunnen een puinschijf rond de witte dwerg vormen, waaruit een nieuwe generatie planeten kan ontstaan. Of planeten die verder weg staan van de rode reus kunnen overleven en dichter naar de ster toe bewegen terwijl deze zijn veranderingen ondergaat. Er is meer onderzoek nodig om deze mogelijkheden te begrijpen. “Aangezien het waarschijnlijk is dat veel van de planeten die rond WD-progenitors draaien tijdens de rode-reuzenfase zijn opgeslokt, kunnen WD-planeten weinig voorkomen in hun systemen en mogelijk alleen rond de ster draaien,” schrijven de auteurs.
Onze kennis van bewoonbaarheid van exoplaneten is onvolledig. Toch is het een cruciaal onderwerp om het heelal te begrijpen en een van onze grootste vragen: Is er ander leven? We kunnen die grote vraag niet beantwoorden zonder een veel beter begrip van bewoonbaarheid en de omstandigheden waaronder het bestaat. De enige manier om die kennis te vergaren is met krachtigere waarnemingen. “Nu er krachtige observatiemogelijkheden zijn gekomen om de atmosferen van exoplaneten en astrobiologie te beoordelen, zoals die van de James Webb ruimtetelescoop, kunnen we een nieuwe fase ingaan waarin we een geheel nieuwe klasse werelden bestuderen rond sterren die voorheen niet in beschouwing werden genomen.”
Bron: Universe Today
