Exoplaneet: een wereld met twee keer de massa van de aarde maar de omvang van Saturnus

Kepler-51b weegt ongeveer twee keer zoveel als de aarde, maar zwelt op tot bijna de omvang van Saturnus, een planeet die honderd keer zwaarder is dan de aarde. Dat soort mismatch tussen massa en omvang is precies de reden waarom exoplaneten, werelden die om andere sterren dan de zon draaien, de astronomen die ze bestuderen blijven verrassen.

Amper drie decennia geleden had niemand ook maar één planeet buiten ons zonnestelsel bevestigd. Vandaag staan er duizenden gecatalogiseerd, en dat aantal blijft stijgen naarmate ruimtetelescopen en grondgebonden waarnemingen de zoektocht verfijnen. Deze gids brengt de ontdekkingen, de bijna-missers en de natuurkunde samen die van exoplaneten een van de meest levendige vakgebieden binnen de sterrenkunde maakt.

De eerste bevestigde exoplaneten waren niet de knusse, op de aarde lijkende werelden die de sciencefiction had beloofd. Het waren twee planeten met een aardachtige massa die in een baan om een millisecondepulsar bleken te draaien, het ineengestorte, snel roterende overblijfsel van een dode ster, aangekondigd in 1992 door Aleksander Wolszczan en Dale Frail. Pulsars zenden radiopulsen uit met zo'n mechanische precisie dat piepkleine timingafwijkingen de zwaartekracht van onzichtbare metgezellen verraadden.

Drie jaar later volgde een ontdekking die vertrouwder aanvoelde. Astronomen vonden in 1995 de eerste bevestigde exoplaneet rond een op de zon lijkende hoofdreeksster, in een strakke baan van vier dagen om 51 Pegasi. Onderzoekers stelden dit vast met een spectroscoop die nauwkeurig genoeg was om snelheidsveranderingen van ongeveer 70 meter per seconde in het licht van de ster op te vangen, de zwakke zwaartekrachtstrek van een omcirkelende planeet die zijn ster heen en weer trekt. Die instrumentele precisie, het opmerken van een schommeling trager dan een stevige jog, is wat het jagen op exoplaneten van speculatie omzette in een herhaalbare wetenschap.

Niet elke exoplaneet past in de nette categorieën die astronomen hebben opgesteld op basis van onze eigen acht planeten. Kepler-51b heeft slechts ongeveer twee keer de massa van de aarde, maar zwelt op tot bijna de omvang van Saturnus, een planeet die honderd keer zo zwaar is. Een planeet die zo opgeblazen is voor zijn massa moet een buitengewoon lage dichtheid hebben, wat wijst op een atmosfeer die zo uitgestrekt en licht is dat ze nauwelijks bij elkaar blijft.

Verschillen tussen massa en omvang komen in beide richtingen voor. Van alle vermeldingen in het Exoplanet Archive van NASA overtreft niets HR 2562 b, dat de weegschaal laat doorslaan tot ongeveer 30 keer de massa van Jupiter, op zijn beurt al de zwaarste planeet in ons eigen zonnestelsel. Aan het andere uiterste ontdekte een breder onderzoek onder duizenden exoplaneten een patroon in hun beweging in plaats van hun grootte: grote planeten nestelen zich doorgaans in elliptische banen, terwijl kleinere planeten eerder een bijna cirkelvormige baan verkiezen. Niemand ontwerpt op die manier een zonnestelsel; het is simpelweg wat zwaartekracht en achtergebleven puin over miljarden jaren opleveren.

Sommige exoplaneten draaien niet alleen om hun ster, ze vallen er langzaam voor uiteen. Zo'n gedoemde wereld, gespot door Kepler, voltooit een rondje om zijn moederster in slechts 16 uur en sleept een komeetachtige staart van stof met zich mee, weggekookt van zijn eigen oppervlak. Astronomen ontdekten hem alleen omdat die stofwolk het sterlicht periodiek verduistert als hij passeert, een signatuur die niet lijkt op de nette, herhaalbare dips van een intacte planeet.

Om een planeet in deze toestand te betrappen, moest je een enorm aantal sterren tegelijk in de gaten houden, precies waarvoor Kepler was gebouwd: de telescoop volgde tegelijkertijd meer dan 145.000 sterren, op zoek naar de korte, ondiepe verduistering die een passerende exoplaneet verraadt. De meeste op deze manier ontdekte planeten gedragen zich normaal. Deze viel juist op omdat dat niet het geval was.

Onder de ontdekkingen van Kepler kreeg Kepler-452b niet voor niets een bijnaam. De planeet is ongeveer 60 procent groter dan de aarde en draait om een ster van het G2-type, dezelfde brede klasse als de zon, alleen heeft deze al 6 miljard jaar op de teller staan, maar liefst 1,5 miljard meer dan onze eigen ster tot nu toe heeft meegemaakt. Jon Jenkins, hoofd van de Kepler-data-analyse, noemde haar "een oudere, grotere neef van de aarde", die wetenschappers in staat stelt om "de veranderende omgeving van de aarde te begrijpen en erover na te denken".

Wat de baan van Kepler-452b opmerkelijk maakt, is hoe gewoon die eruitziet ondanks de grotere omvang van de planeet: een volledige omloop duurt 385 dagen, slechts 5 procent meer dan de aarde nodig heeft voor een rondje om de zon. Van een planeet die zoveel groter is, zou je verwachten dat hij veel verder van zijn ster af staat, toch liggen de cijfers opvallend dicht bij wat wij kennen, een herinnering dat omvang en baanafstand niet automatisch samen opschalen.

Het binnenste van een planeet begrijpen is moeilijker dan hem in eerste instantie ontdekken, want geen enkele telescoop kan door de wolken van een planeet heen kijken. Laboratoriumexperimenten vullen dat gat op door de verpletterende drukken diep in gasreuzen na te bootsen. Waterstof, in de vorm van deuterium, samenpersen tot ongeveer 150 gigapascal aan druk doet het omslaan van een doorzichtige naar een ondoorzichtige toestand, een drempel die relevant is voor het modelleren van wat er gebeurt binnenin massieve gasreus-exoplaneten en hun neven in ons zonnestelsel. Resultaten als deze stellen astronomen in staat om de gemeten massa en straal van een planeet te vertalen naar een onderbouwde inschatting van zijn interne structuur, aangezien twee planeten met identieke uiterlijke kenmerken heel verschillende binnenkanten kunnen verbergen.

De dichtstbijzijnde ster bij de zon bleek een eigen planeet te herbergen. Proxima Centauri b, ontdekt in een baan om die naburige ster, voltooit een omloop elke 11,2 aardse dagen op een afstand van slechts ongeveer 0,04848 AE, dichterbij dan de baan van Mercurius om de zon. Juist die nabijheid van zijn ster houdt de planeet warm genoeg om interessant te zijn, ondanks dat hij om een veel zwakkere ster draait dan de zon.

Iets verder weg in de zoektocht naar nabije planetenstelsels leverde TRAPPIST-1 een heel ander soort buit op. Het planetenstelsel werd in 2016 ontdekt door een team onder leiding van de Belgische astronoom Michaël Gillon, met waarnemingen van het La Silla-observatorium in Chili, en onthulde een compacte familie van planeten geclusterd rond een kleine, koele ster. Een heel stelsel vinden in één campagne, in plaats van planeet voor planeet, veranderde de manier waarop astronomen toekomstige waarnemingen plannen.

Elke exoplaneet die tot nu toe besproken is, behoort tot ons eigen sterrenstelsel. Die grens hield stand totdat onderzoekers NASA's Chandra-röntgenobservatorium combineerden met een microlensingtechniek, waarbij ze een ver quasarstelsel observeerden op zoek naar de vingerafdrukken van onzichtbare planeten die het licht ervan buigen. De analyse vond bewijs voor ongeveer 2.000 extragalactische planeten per ster voorbij de Melkweg. Het was het eerste bewijs dat suggereerde dat ons eigen sterrenstelsel slechts één eiland is te midden van een aantal exoplaneten dat, zodra je verder kijkt, boven de biljoen uitkomt, een getal zo groot dat individuele planeten er een statistische achtergrondruis van worden in plaats van afzonderlijke objecten die je één voor één catalogiseert.

Instrumenten die zijn gebouwd om één wiebelende ster of één verduisterende lichtcurve op te vangen, waren nooit ontworpen met een biljoen planeten in gedachten. Dat diezelfde detectieprincipes, minuscule zwaartekracht- en optische vervormingen, opschalen van een enkel stersysteem naar de planeten van een heel sterrenstelsel, zegt evenveel over de vindingrijkheid van de methoden als over hoe gewoon planeten uiteindelijk blijken te zijn.

Kepler's eigen hardware laat zien hoeveel precisie deze zoektocht vergt. De hoofdspiegel had een diameter van 1,4 meter, en toen Kepler werd gelanceerd, had geen enkele andere telescoop buiten de dampkring van de aarde een grotere spiegel, een record dat de Herschel-ruimtetelescoop slechts enkele maanden later overnam. Het bouwen van zo'n groot instrument, en het jarenlang richten ervan op hetzelfde stukje hemel, was de prijs voor het opvangen van de zwakke, herhalende overgangen die een planeet ter grootte van de aarde onthullen.

Elke generatie van de exoplaneetwetenschap heeft voortgebouwd op de vorige: pulsartiming maakte plaats voor stellaire wiebelingen, stellaire wiebelingen maakten plaats voor transitfotometrie die honderdduizenden sterren tegelijk in de gaten houdt, en transitfotometrie strekt zich nu uit tot sterrenstelsels voorbij het onze. De volgende verrassing, of het nu een planeet vreemder dan Kepler-51b is of bewijs dat verandert hoe gewoon planeten werkelijk zijn, ligt waarschijnlijk al in data te wachten om geanalyseerd te worden.

• ScienceDaily: onder druk geeft waterstof een spiegelbeeld van het binnenste van reuzenplaneten
• NASA: Kepler-missie ontdekt grotere, oudere neef van de aarde
• Phys.org: verdampende exoplaneet wervelt stof op
• National Geographic: nieuwe ontdekking suggereert dat exoplaneten buiten de Melkweg kunnen bestaan
• Wikipedia: exoplaneet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler-ruimtetelescoop
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1