Nieuw onderzoek laat zien dat de zeven planeten die om de nabije zeer koele dwergster TRAPPIST-1 cirkelen allemaal grotendeels uit gesteenten bestaan en dat sommige mogelijk meer water hebben dan de aarde. De dichtheden van de planeten, nu veel exacter bekend dan voorheen, wijzen erop dat sommige van hen voor maximaal 5 procent uit water kunnen bestaan – ongeveer 250 keer zoveel als de oceanen van de aarde.
De warmere planeten die zich het dichtst bij hun moederster bevinden, hebben waarschijnlijk een dichte atmosfeer vol stoom en de planeten die verder verwijderd zijn hebben waarschijnlijk ijzige oppervlakken. Qua grootte, dichtheid en hoeveelheid straling die hij van zijn ster ontvangt, lijkt de vierde planeet het meest op de aarde. Hij is vermoedelijk ook de meest rotsachtige van de zeven en kan vloeibaar water bezitten. De eerste planeten rond de zwakke rode ster TRAPPIST-1, op slechts 40 lichtjaar van de aarde, werden in 2016 ontdekt met de TRAPPIST-South-telescoop die op de ESO-sterrenwacht op La Silla (Chili) is gestationeerd.
In het daaropvolgende jaar lieten vervolgwaarnemingen met telescopen op aarde, waaronder ESO’s Very Large Telescope, en de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA zien dat het stelsel maar liefst zeven planeten telt, die stuk voor stuk ongeveer even groot zijn als de aarde. Van binnen naar buiten hebben ze de aanduidingen TRAPPIST-1b, -c, -d, -e, -f, -g en -h gekregen [1]. Nu zijn nog meer waarnemingen gedaan, zowel met telescopen op de grond, waaronder de bijna complete SPECULOOS-faciliteit van de ESO-sterrenwacht op Paranal, als met de NASA-ruimtetelescopen Spitzer en Kepler. Een team van wetenschappers onder leiding van Simon Grimm van de universiteit van Bern in Zwitserland heeft alle beschikbare gegevens met behulp van zeer complexe computermodellen geanalyseerd en op die manier de dichtheden van de afzonderlijke planeten veel nauwkeuriger kunnen bepalen dan voorheen [2].
Simon Grimm legt uit hoe zijn team te werk is gegaan: ‘De planeten van TRAPPIST-1-planeten bevinden zich zo dicht bij elkaar dat ze elkaar gravitationeel beïnvloeden, waardoor de tijdstippen waarop ze voor hun ster langs trekken een beetje verschuiven. Deze verschuivingen zijn afhankelijk van de massa’s, afstanden en andere baanparameters van de planeten. Met een computermodel simuleren we de planeetbanen net zo lang totdat de berekende tijdstippen van de planeetovergangen in overeenstemming zijn met de waargenomen waarden. Daaruit kunnen we dan afleiden welke massa’s bij de planeten horen.’ Teamlid Eric Agol legt de betekenis ervan uit: ‘Het was al geruime tijd een van de doelen van het exoplanetenonderzoek om de samenstelling van planeten te meten die qua grootte en temperatuur op de aarde lijken. Dankzij de ontdekking van TRAPPIST-1 en de mogelijkheden van de ESO-faciliteiten in Chili en NASA’s ruimtetelescoop Spitzer is dit nu ook echt gelukt – we hebben een eerste glimp van de samenstelling van exoplaneten ter grootte van de aarde!’
De combinatie van de metingen van de dichtheden en modellen van de samenstellingen van de planeten, wijst er sterk op dat de zeven planeten van TRAPPIST-1 geen kale rotsachtige werelden zijn. Ze lijken aanzienlijke hoeveelheden vluchtig materiaal – waarschijnlijk water [3] – te bevatten, in sommige gevallen tot wel 5 procent van de planeetmassa. Dat is een enorme hoeveelheid: de massa van onze aarde bestaat voor slechts ongeveer 0,02 procent uit water! ‘Hoewel dichtheden belangrijke aanwijzingen zijn voor de samenstellingen van de planeten, zegt dat niets over hun leefbaarheid’, voegt medeauteur Brice-Olivier Demory van de Universiteit van Bern daaraan toe. ‘Maar ons onderzoek heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de beantwoording van de vraag of op deze planeten leven mogelijk kan zijn.’
TRAPPIST-1b en -c, de binnenste planeten, hebben waarschijnlijk een rotsachtige kern en zijn gehuld in een atmosfeer die veel dichter is dan die van de aarde. TRAPPIST-1d is, met ongeveer 30 procent van de aardmassa, de lichtste van de planeten. Wetenschappers zijn er niet zeker van of deze een omvangrijke atmosfeer, een oceaan of een ijsmantel heeft. Verrassend was de ontdekking dat TRAPPIST-1e de enige planeet in het stelsel is die een iets hogere dichtheid heeft dan de aarde. Dat wijst erop dat hij een dichtere ijzerkern zou kunnen hebben en niet per se van een omvangrijke atmosfeer, oceaan of ijslaag is voorzien. Het is vreemd dat de samenstelling van TRAPPIST-1e zoveel rotsachtiger lijkt te zijn dan die van de overige planeten. Qua grootte, dichtheid en hoeveelheid straling die hij van zijn ster ontvangt, is dit de planeet die het meest op de aarde lijkt.
TRAPPIST-1f, -g en -h zijn zo ver van hun moederster verwijderd dat het eventuele water op hun oppervlakken tot ijs bevroren kan zijn. Als ze dunne atmosferen hebben, is het niet waarschijnlijk dat deze zware moleculen bevatten zoals de koolstofdioxide die we in de aardatmosfeer aantreffen. ‘Het is interessant dat de planeten met de hoogste dichtheid niet degene zijn die zich het dichtst bij de ster bevinden, en dat de koudere planeten geen dikke atmosferen kunnen hebben,’ merkt medeauteur Caroline Dorn van de Universiteit van Zürich op.
Het TRAPPIST-1-stelsel zal ook in de toekomst het doelwit blijven van intensief onderzoek met tal van faciliteiten op de grond en in de ruimte, zoals ESO’s Extremely Large Telescope en de James Webb-ruimtetelescoop van NASA, ESA en CSA. Astronomen zoeken ook hard naar planeten rond andere zwakke rode sterren dan TRAPPIST-1. Zoals teamlid Michaël Gillon uitlegt [4]: ‘Dit resultaat benadrukt de enorme belangstelling om nabije zeer koele dwergsterren – zoals TRAPPIST-1 – op mogelijke planeetovergangen te onderzoeken. Dit is ook precies het doel van SPECULOOS, onze nieuwe zoektocht naar exoplaneten die op het punt van beginnen staat op Paranal.’
Noten
[1] De planeten werden ontdekt met behulp van de TRAPPIST-South-telescoop op La Silla, Chili; de TRAPPIST-North-telescoop in Marokko; de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA; het HAWK-I-instrument van de Very Large Telescope van de ESO-sterrenwacht op Paranal in Chili; de 3,8-meter UKIRT-telescoop op Hawaï; de 2-meter Liverpool en 4-meter William Herschel-telescoop op het Canarische eiland La Palma; en de 1-meter SAAO-telescoop in Zuid-Afrika.
[2] Het meten van de dichtheden van exoplaneten is niet eenvoudig. Je moet zowel de grootte van de planeet als zijn massa te weten komen. De planeten van TRAPPIST-1 werden ontdekt met behulp van de transitmethode. Dat wil zeggen: door te zoeken naar kleine dipjes in de helderheid van de ster, zoals die optreden wanneer een planeet voor de ster langs schuift en deze deels bedekt. Dit levert een goede schatting op van de grootte van de planeet. Het meten van de massa van een planeet is echter moeilijker – alleen aan de baanbeweging van een planeet kun je niet zien of deze veel of weinig massa heeft. Alleen stelsels van meerdere planeten bieden die mogelijkheid: zwaardere planeten verstoren de baanbewegingen van de overige planeten meer dan lichtere. En dat heeft weer invloed op de tijdstippen waarop de verschillende planeten voor hun ster langs trekken. Het team onder leiding van Simon Grimm heeft deze gecompliceerde en zeer subtiele effecten gebruikt om – op basis van een groot aantal tijdmetingen, zeer geavanceerde data-analyse en modelberekeningen – een schatting te maken van de meest waarschijnlijke massa’s van de zeven planeten.
[3] De gebruikte modellen laten ook alternatieve vluchtige stoffen toe, zoals koolstofdioxide. Ze geven echter de voorkeur aan water – in de vorm van damp, vloeistof of ijs – als het meest waarschijnlijke grootste bestanddeel van het oppervlaktemateriaal van de planeten, omdat water de meest voorkomende bron van vluchtige stoffen is in protoplanetaire schijven rond sterren die qua samenstelling op de zon lijken.
[4] De surveytelescoop-faciliteit SPECULOOS die op de ESO-sterrenwacht op Paranal wordt geïnstalleerd, is bijna gereed.
