Waarom zit er niets tussen mini-Neptunussen en superaardes in?

Eind januari was het dertig jaar geleden dat de eerste exoplaneten (planeten buiten ons zonnestelsel) zijn ontdekt. Sinds die ontdekking zijn er duizenden (kandidaat-)exoplaneten gevonden, in verschillende soorten en maten. De meeste ervan bevinden zich dicht bij hun ster (want daar kunnen we ze met de huidige detectiemethoden nu eenmaal het gemakkelijkst waarnemen). En als we dan inzoomen op de kleinste, rotsachtige exemplaren zien we al snel iets opvallends. Ze zijn doorgaans in twee groepen in te delen: de mini-Neptunussen (kleinere versies van ‘onze’ Neptunus: een grote rotsachtige kern met daaromheen een dikke deken van gassen) en superaardes. De superaardes zijn tot zo’n 1,75 keer zo groot als onze planeet, terwijl de mini-Neptunussen tussen de 2 en 4 keer groter zijn. En wat daarbij opvalt, is dat er tot op heden eigenlijk nauwelijks planeten zijn ontdekt die daar qua grootte tussen inzitten. Een mogelijke verklaring voor dat mysterieuze gat in onze exoplanetencatalogus was dat mini-Neptunussen gaandeweg tot superaardes transformeren. Maar bewijs daarvoor ontbrak. Tot nu. Want wetenschappers hebben twee mini-Neptunussen ontdekt die hun dikke atmosferen aan het kwijtraken zijn en dus lijken te veranderen in superaardes.

Waarnemingen
“De meeste astronomen vermoedden dat jonge, kleine mini-Neptunussen verdampende atmosferen hadden,” stelt onderzoeker Michael Zhang. Maar observationeel bewijs ontbrak. Tot astronomen – waaronder ook Zhang – onlangs met behulp van de Near Infrared Spectrograph van het Keck Observatory en ruimtetelescoop Hubble respectievelijk de mini-Neptunussen TOI 560.01 en HD 63433 c onder de loep namen. De astronomen zagen dat beide atmosferen ‘lekten’: atmosferisch gas stroomde bij de planeten vandaan. In het geval van TOI 560.01 ging het om helium dat zich met een snelheid tot wel 20 kilometer per seconde weg haastte. Bij HD 63433 c was het waterstof dat met een snelheid van wel 50 kilometer per seconde verdween.

Superaarde
De waarnemingen hinten erop dat beide mini-Neptunussen hun complete atmosfeer dreigen te verliezen. En wat dan overblijft, is een rotsachtige kern die afgaand op zijn grootte tot de superaardes gerekend zou worden.

Straling
Dat de mini-Neptunussen hun atmosfeer kwijtraken, heeft te maken met de intense straling van de nabije moederster. Astronomen vermoeden dat die straling ervoor kan zorgen dat een mini-Neptunus binnen enkele honderden miljoenen jaren het grootste deel van zijn atmosfeer kwijtraakt. De overgebleven rotsachtige kern zou in theorie nog wel in staat moeten zijn om een klein deel van die atmosfeer vast te houden, maar die overgebleven atmosfeer zou dan niet veel dikker zijn dan de onze.

Gat
Het onderzoek kan helpen verklaren waarom er tot op heden maar nauwelijks planeten zijn ontdekt die qua grootte tussen superaardes en mini-Neptunussen inzitten. “Een planeet in dat gat zou een atmosfeer bezitten die dik genoeg is om veel stellaire straling te onderscheppen en dus gedoemd zijn om snel massa te verliezen,” stelt Zhang. Tegelijkertijd is de atmosfeer echter ook weer te dun om dat massaverlies langdurig het hoofd te kunnen bieden. “De atmosfeer is zo dun dat deze relatief snel verdwijnt. En daarom kan een planeet niet lang in dat ‘gat’ blijven hangen.”

Met de waarnemingen hebben de onderzoekers voor het eerst bewijs gevonden voor de theorie die stelt dat mini-Neptunussen relatief snel transformeren tot superaardes en dat we daarom maar weinig planeten aantreffen die daar qua omvang tussenin zitten. Meer waarnemingen zijn echter nodig om die theorie definitief te kunnen bevestigen. Bovendien roept de nieuwe studie ook weer nieuwe vragen op. Zo werd aangenomen dat de ontsnappende atmosfeer van mini-Neptunussen van de moederster vandaan beweegt. Maar observaties van TOI 560.01 wijzen uit dat de gassen die uit de atmosfeer lekken juist naar de moederster stromen. Toekomstige observaties van andere mini-Neptunussen moeten uitwijzen of TOI 560.01 daarmee een uitzondering is of niet. “Als exoplanetenonderzoekers hebben we geleerd om het onverwachte te verwachten,” stelt onderzoeker Heather Knutson. “Deze exotische werelden verrassen ons constant met nieuwe natuurkundige processen die verder gaan dan wat we hier in ons eigen zonnestelsel zien.”