Er bestaat een opvallend tekort aan middelgrote hemellichamen. En het lijkt erop dat bepaalde exoplaneten hun atmosfeer verliezen en vervolgens krimpen door een proces dat ‘kern-aangedreven massaverlies’ wordt genoemd.
Exoplaneten zijn er in verschillende vormen en maten: van kleine, rotsachtige werelden tot immense gasreuzen. Wat echter opvallend is, is dat onderzoekers verrassend weinig middelgrote exoplaneten zijn tegengekomen: planeten met een straal tussen de 1,5 en 2 keer groter dan die van de aarde. Dat is een kloof precies tussen rotsachtige superaardes en grotere, met gas omhulde planeten die sub-Neptunussen worden genoemd in. Astronomen proberen al geruime tijd te achterhalen wat de oorzaak is van deze opmerkelijke kloof. En een nieuwe studie werpt nu eindelijk meer licht op de zaak.
Geen toeval
Ondertussen hebben onderzoekers al meer dan 5.000 exoplaneten ontdekt. “Opvallend genoeg zijn er minder planeten met een diameter tussen 1,5 en 2 keer die van de aarde dan oorspronkelijk verwacht,” zegt onderzoeker Jessie Christiansen. “We hebben nu echter genoeg gegevens verzameld om te concluderen dat deze kloof geen toeval is. Er is duidelijk iets aan de hand dat voorkomt dat planeten deze specifieke grootte bereiken en behouden.”
Krimp
Wetenschappers vermoeden dat deze kloof kan worden verklaard door het geleidelijke verlies van de atmosfeer van bepaalde sub-Neptunussen. De atmosfeer ‘lekt’ in dit geval weg wanneer de planeet niet voldoende massa – en daarmee zwaartekracht – heeft om zijn atmosfeer vast te houden. Als gevolg hiervan zouden sub-Neptunussen die niet voldoende massief zijn inkrimpen tot ongeveer de grootte van superaardes. En hierdoor ontstaat naar verluidt de opvallende kloof tussen deze twee categorieën planeten.
Hoe dan?
Maar dat is nog niet het hele verhaal. Hoe deze planeten namelijk precies hun atmosfeer kwijtraken, was vooralsnog een mysterie. Onderzoekers houden er twee waarschijnlijke mechanismen op na: het ene wordt kern-aangedreven massaverlies genoemd en het andere is foto-evaporatie (zie kader). Nu heeft recent onderzoek nieuw bewijs geleverd dat het eerste mechanisme, kern-aangedreven massaverlies, waarschijnlijker is.
Kern-aangedreven massaverlies treedt op wanneer straling afkomstig van de hete kern van een planeet de atmosfeer van de planeet wegduwt. Dit gebeurt doordat de straling als het ware van onderaf op de atmosfeer drukt. Foto-evaporatie treedt op wanneer de atmosfeer van een planeet in feite wordt weggeblazen door de hete straling van zijn moederster. In dit scenario werkt de hoog-energetische straling van de ster als ‘een föhn op een ijsblok’. Foto-evaporatie vindt waarschijnlijk plaats gedurende de eerste 100 miljoen jaar van een planeet. Daarentegen wordt aangenomen dat kern-aangedreven massaverlies aanzienlijk later optreedt, namelijk rond de 1 miljard jaar in het bestaan van een planeet.
Voor dit onderzoek hebben onderzoekers gegevens van NASA’s K2 gebruikt, een verlengde missie van ruimtetelescoop Kepler, die tussen 2009 en 2018 in een stukje van onze Melkweg naar exoplaneten speurde. Ze richtten zich op de sterrenhopen Praesepe en Hyades, die tussen de 600 miljoen en 800 miljoen jaar oud zijn. Omdat planeten doorgaans worden aangenomen dezelfde leeftijd te hebben als hun moederster, zouden de sub-Neptunussen in dit systeem voorbij de leeftijd zijn waarop foto-evaporatie waarschijnlijk heeft plaatsgevonden, maar nog niet oud genoeg zijn om kern-aangedreven massaverlies te hebben ondergaan.
Praesepe en Hyades
Toen de onderzoekers Praesepe en Hyades observeerden, kwamen ze tot de ontdekking dat bijna alle sterren een sub-Neptunus herbergden. En vanwege de leeftijd van deze clusters, concludeert het team dat foto-evaporatie waarschijnlijk niet heeft plaatsgevonden. Het betekent dat deze planeten hun atmosferen hebben weten te behouden. Dit in tegenstelling tot andere oudere sterren die zijn bestudeerd door K2 (sterren ouder dan 800 miljoen jaar), waarvan slechts 25 procent sub-Neptunussen herbergt. De oudere leeftijd van deze sterren valt meer samen met het tijdsbestek waarin wordt verondersteld dat kern-aangedreven massaverlies optreedt.
Kern-aangedreven massaverlies
Kortom, het betekent dat foto-evaporatie hoogstwaarschijnlijk niet heeft plaatsgevonden in Praesepe en Hyades – en dat dat waarschijnlijk ook niet meer gaat gebeuren. Als dat wel het geval was geweest, zou het honderden miljoenen jaren eerder hebben plaatsgevonden, en zouden de planeten weinig tot geen atmosfeer meer hebben. Dit suggereert dat in de loop van de tijd de minst massieve sub-Neptunussen wellicht hun atmosferen nog zullen gaan verliezen als gevolg van kern-aangedreven massa verlies.
Mysterieuze afwezigheid
De bevindingen uit de studie zijn interessant. Ze verklaren namelijk de mysterieuze afwezigheid van planeten die 1,5 tot 2 keer groter zijn dan de aarde. Het lijkt er dus inderdaad op dat sommige exoplaneten hun atmosferen verliezen en krimpen. En tegelijkertijd hebben astronomen nu bewijs gevonden van een mogelijke oorzaak: de kern van deze planeten duwen hun atmosfeer van binnenuit weg.
Ondanks deze nieuwe inzichten, benadrukt het team dat het onderzoek naar de planetaire kloof nog niet volledig is afgerond. Het is namelijk mogelijk dat ons huidige begrip van foto-evaporatie en/of kern-aangedreven massaverlies zich nog verder zal ontwikkelen. We zullen dus moeten wachten op verdere studies voordat we definitieve antwoorden krijgen.
