Tot voor kort dachten wetenschappers dat exoplaneten ongeveer net zo waren opgebouwd als onze Aarde: een ijzeren kern, omgeven door een mantel van gesteente en water aan de oppervlakte. Maar volgens exoplaneet-expert Caroline Dorn is dit veel te simplistisch: “We beginnen de laatste jaren te beseffen dat planeten veel complexer zijn opgebouwd dan we dachten.”
De meeste bekende exoplaneten – planeten buiten ons zonnestelsel – bevinden zich relatief dicht bij hun ster. Daardoor zijn het gloeiend hete werelden met oceanen van gesmolten magma. Dat is heel anders dan de vaste mantel die wij op Aarde kennen. Water lost goed op in deze buitenaardse magma-oceanen, terwijl koolstofdioxide bijvoorbeeld kan ontsnappen naar de atmosfeer. De ijzeren kern van zulke planeten bevindt zich onder de gesmolten mantel. De mantel zelf (en onze aardkorst) bestaat voor een belangrijk deel uit silicaten. Maar hoe wordt het water verdeeld tussen het gesteente van silicaten en het ijzer?
Tachtig keer meer
Dat heeft Dorn van de ETH Zürich samen met haar collega’s van Princeton University onderzocht en hun bevindingen, die in Nature verschenen, doen veel stof opwaaien. Er blijkt namelijk veel meer water in de kern van exoplaneten, en ook in het binnenste van onze eigen Aarde, opgeslagen te zitten dan verwacht. Het is misschien zelfs wel tachtig keer meer dan de hoeveelheid water in alle oceanen bij elkaar.
Dat vraagt om enige uitleg: tijdens de vroege ontwikkeling van een planeet zit een groot deel van het ijzer in de vorm van druppels in de hete magmasoep te pruttelen. Water bindt zich aan deze druppels en het geheel zakt samen langzaam richting de kern. Veel water verdwijnt zo in het binnenste van de planeet. “Het water lift als het ware met het ijzer mee naar beneden”, legt Dorn uit. Dit proces is tot nu toe alleen waargenomen bij de gematigde druk die op Aarde voorkomt. Dorns onderzoek toont nu aan dat bij grotere planeten – waarbij de druk nog veel hoger is dan hier – het water nog sterker wordt aangetrokken door het ijzer.
Extreem hoge druk
Het resultaat is dat er nog veel meer water in de kern terechtkomt, en voorgoed deel uitmaakt van het binnenste van de planeet. “Onder extreem hoge druk kan ijzer tot wel zeventig keer meer water opnemen dan gesteente. Door de enorme druk in de kern is dit water niet langer aanwezig in de vorm van H2O-moleculen, maar is het opgesplitst in waterstof en zuurstof”, aldus de Zwitserse hoogleraar Exoplaneten.
Vier jaar geleden bleek al dat de aardse oceanen aan het oppervlak slechts een klein deel van het totale water van onze planeet bevatten. Een studie uit 2020 toonde aan dat er naar schatting zo’n tachtig keer zoveel water als er in onze oceanen zit in het binnenste van de Aarde verborgen zou zijn. Dit was het signaal voor Dorn en haar team om verder onderzoek te doen naar dit fenomeen met behulp van de metingen van de James Webb-telescoop.
Onderschat water niet
De nieuwe inzichten hebben grote gevolgen voor de manier waarop we naar exoplaneten kijken. Tot nu toe werd de oplosbaarheid van water, en de verdeling ervan tussen mantel en kern, vaak genegeerd. Dit heeft gezorgd voor een enorme onderschatting van de hoeveelheid water op exoplaneten – met zeker een factor tien. “Planeten blijken veel waterrijker te zijn dan eerder werd aangenomen”, maakt Dorn duidelijk.
De verdeling van water is cruciaal om de vorming en de evolutie van planeten te begrijpen. Water dat naar de kern zakt, blijft daar voor altijd gevangen, terwijl water in de magmalaag van de mantel tijdens het afkoelen juist vrij naar de oppervlakte kan stijgen. “Als we water in de atmosfeer van een planeet vinden, is er waarschijnlijk nog veel meer in het binnenste verborgen”, aldus Dorn.
De Webb-telescoop is in staat om exoplaneten te scannen en moleculen aan te wijzen die zich in deze buitenaardse atmosferen bevinden. Dit geeft ons meer inzicht in de samenstelling en de mogelijke bewoonbaarheid van deze verre werelden.
Exotische waterwerelden
Water is een essentiële voorwaarde voor leven. Er is lange tijd gespeculeerd over de leefbaarheid van zogenaamde superaardes: planeten die een stuk groter zijn dan de Aarde, maar kleiner dan Uranus of Neptunus en die een oppervlak hebben dat is bedekt met diepe oceanen. De vrees was dat te veel water aan het oppervlak de kans op buitenaards leven in de weg zou staan, omdat een dikke laag exotisch ijs – dat onder hoge druk staat – de uitwisseling van essentiële stoffen zou blokkeren.
Maar de onderzoekers komen in de nieuwe studie tot een heel andere conclusie: planeten met diepe waterlagen zijn waarschijnlijk erg zeldzaam, omdat het meeste water op superaardes niet aan de oppervlakte ligt, maar opgesloten zit in de kern. Dit betekent dat zelfs planeten met relatief veel water mogelijk leven kunnen herbergen net als op Aarde. Dorn en haar collega’s werpen met hun studie dus nieuw licht op de mogelijke leefbaarheid van deze zeer waterrijke werelden.
