Het zijn de eerste planeten die nu met zekerheid als waterwerelden zijn aangemerkt, een type planeet waarvan astronomen al lang dachten dat ze zouden moeten bestaan.

Op zo’n 218 lichtjaar afstand vinden we de rode dwergster Kepler-138. Deze ster is 30 procent koeler dan en twee keer zo klein als onze zon. Bekend is dat de rode dwerg vergezeld wordt door enkele planeten. In een nieuwe studie hebben onderzoekers geprobeerd deze werelden zorgvuldig te karakteriseren. En uit analyses blijkt nu dat twee planeten niet zomaar superaardes zijn, maar heuse waterwerelden.

Waterwerelden
Het gaat om de planeten Kepler-138c en Kepler-138d, die beide ongeveer anderhalf keer zo groot zijn als de aarde. Deze planeten zijn samen met hun planetaire metgezel Kepler-138b (die zich dichter bij de moederster in de buurt bevindt) met behulp van de ondertussen gepensioneerde ruimtetelescoop Kepler ontdekt. Onderzoekers besloten in een recente studie het planetenstelsel opnieuw onder de loep te nemen. En dat leidt tot een bijzondere ontdekking. “Een groot deel van het volume van Kepler-138c en Kepler-138d bestaat waarschijnlijk uit water,” zegt onderzoeker Björn Benneke. “Het is de eerste keer dat we planeten observeren die met zekerheid geïdentificeerd kunnen worden als waterwerelden, een type planeet waarvan astronomen al lang vermoeden dat ze zouden bestaan.”

Afmetingen
De analyse wijst verder uit dat Kepler-138c en Kepler-138d heuse ‘tweeling’-planeten zijn, met vrijwel dezelfde grootte en massa. Daarentegen blijkt Kepler-138b juist heel klein te zijn, met ongeveer de massa van onze naaste buur Mars. Daarmee is Kepler-138b één van de kleinste exoplaneten die tot nu toe is ontdekt.

Overigens detecteerden de onderzoekers niet direct water. Maar door de afmetingen en de massa van de planeten met modellen te vergelijken, ontdekten ze dat een aanzienlijk deel van het volume van Kepler-138c en Kepler-138d samengesteld is uit een materiaal dat lichter is dan steen maar zwaarder dan waterstof of helium (waar gasreuzen Saturnus en Jupiter voornamelijk uit bestaan). Het kan volgens de onderzoekers maar één ding betekenen. En dat is dat het hier om water gaat.

Superaardes
Niet alleen hebben onderzoekers nu voor het eerst heuse waterrijke exoplaneten aan het licht gebracht, het verandert ook dat wat we dachten te weten over superaardes. Dat komt omdat Kepler-138c en Kepler-138d een grotere massa hebben dan de aarde, maar tegelijkertijd over een veel lagere dichtheid beschikken. Dit is verrassend omdat de meeste planeten die net iets groter zijn dan de aarde en die tot nu toe in detail zijn bestudeerd, allemaal (net zoals de aarde) rotsachtige werelden bleken te zijn. “We veronderstelden dat planeten die groter zijn dan de aarde, grote ballen van metaal en steen zouden zijn,” zegt Benneke. “We dachten dat dit opgeschaalde versies van onze planeet waren, daarom noemden we ze ook superaardes. Nu hebben we echter aangetoond dat Kepler-138c en Kepler-138d heel verschillend van aard zijn en voor het grootste deel uit water bestaan.”

Manen
De onderzoekers vergelijken beide planeten met de ijzige manen die zich in de buitenste regionen van ons zonnestelsel ophouden en die op een rotsachtige kern na, grotendeels uit water bestaan. “Stel je grotere versies van Europa of Enceladus voor, de waterrijke manen die in een baan om Jupiter en Saturnus draaien,” zegt onderzoeker Caroline Piaulet. “Alleen bevinden Kepler-138c en Kepler-138d zich dichter bij hun moederster.”

Stomende atmosfeer
De onderzoekers denken dat de planeten mogelijk niet zoals onze aarde over een oceaan beschikken. “De atmosferische temperatuur van Kepler-138c en Kepler-138d ligt waarschijnlijk boven het kookpunt van water,” vermoedt Piaulet. “We verwachten dan ook dat de planeten gehuld zijn in een dikke, dichte stomende atmosfeer.” Dit resulteert erin dat mogelijk vloeibaar water onder hoge druk staat. “Misschien komt water er wel in verschillende verschijningsvormen voor, zoals in waterstof en de zogenaamde superkritische fase,” aldus Piaulet. In de superkritische fase is het onderscheid tussen de gasfase en vloeistoffase verdwenen. Deze fase komt enkel bij relatief hoge druk en temperatuur voor.

Dwarsdoorsnede van de aarde (links) en de exoplaneet Kepler-138 d (rechts). Net als de aarde heeft deze exoplaneet een binnenste dat bestaat uit metalen en rots (bruin gedeelte). Maar daarnaast beschikt Kepler-138 d ook over lagen water in verschillende vormen. Deze waterlagen vormen meer dan de helft van het totale volume en reiken zo’n 2000 kilometer diep. Ter vergelijking: de aarde heeft een verwaarloosbare fractie vloeibaar water met een gemiddelde oceaandiepte van minder dan 4 kilometer. Afbeelding: Benoit Gougeon, Université de Montréal

Overigens kwamen onderzoekers ook tot de ontdekking dat er nóg een planeet in het planetenstelsel verstopt zit: Kepler-138e. Deze nieuw gevonden planeet is klein, verder van zijn moederster verwijderd dan de andere drie en doet er 38 dagen over om een baantje rond de ster te trekken. De planeet bevindt zich in de zogenoemde leefbare zone, een gematigd gebied waarvan verwacht wordt dat planeten die zich hier bevinden vloeibaar water kunnen herbergen.

De zoektocht naar waterrijke exoplaneten gaat door. Want mogelijk wachten er nog veel op ontdekking. Sterker nog, misschien zijn er ook al wel een paar gevonden. Onlangs lieten onderzoekers weten op een mogelijke waterwereld te zijn gestuit rond de dubbelster TOI-1452. NASA’s James Webb-telescoop is echter nodig om beter de atmosfeer te bestuderen om zo de aanwezigheid van een oceaan te bevestigen. “Naarmate onze instrumenten en technieken beter worden in het opsporen en bestuderen van planeten die verder van hun moederster verwijderd zijn, zouden we veel meer waterwerelden zoals Kepler-138c en Kepler-138d kunnen vinden,” concludeert Benneke.