De exoplaneet Kepler-1520b bevindt zich zo dicht bij zijn gastster dat hij in iets meer dan een halve dag een baan voltooit. Op deze korte afstand is Kepler-1520b netjes opgesloten in een zwaartekrachtstabiliteit, waarbij de ene helft van de planeet naar de ster en de andere helft te allen tijde weg zijn gericht. Helaas voor Kepler-1520b verandert deze opstelling de naar de ster gerichte zijde van de planeet in een kolkende massa gesmolten gesteente en magma-zeeën, langzaam kokend weg in de ruimte.
Hoewel Kepler-1520b niet lang is voor deze Melkweg, willen astronomen graag meer leren over de desintegrerende wereld, ongeveer 2000 lichtjaar van de aarde geplaatst. De komeetachtige staart van stof en puin van de planeten zou inzicht kunnen geven in het fundamentele vormingsproces van alle planeten in de Melkweg. Nieuwe telescopen, zoals NASA's James Webb Space Telescope, die in 2021 wordt gelanceerd, kunnen mogelijk de wolk achter Kepler-1520b en twee andere langzaam desintegrerende werelden onderzoeken.
"De samenstelling in een exoplanetsysteem kan aanzienlijk verschillen van het zonnestelsel", zegt Eva Bodman, een exoplanet-onderzoeker aan de Arizona State University. Naarmate meer en meer exoplaneten worden ontdekt, vallen astronomen op hoe uniek ons zonnestelsel eruitziet van andere planeten rond andere sterren. Bodman wilde bepalen of het mogelijk was om de samenstelling van een klein, rotsachtig, desintegrerend exoplaneet te meten door het puin te bestuderen dat in zijn kielzog reisde. Maar er was een probleem.
Om de vingerafdruk van rotsachtige elementen te spotten, moet je de werelden in infrarood bestuderen. Grondgebaseerde telescopen zijn niet gevoelig genoeg om ze te zien, waardoor alleen NASA's binnenkort uittredende Spitzer Space Telescope en SOFIA, een telescoop boven de atmosfeer aan boord van een Boeing 747, overblijven. Geen van beide instrumenten heeft het bereik om te zoeken naar het rotsachtige materiaal, Bodman zegt. Maar James Webb, ontworpen om exoplaneten in infrarood te bestuderen, evenals oude sterrenstelsels en de meest verre objecten van het universum, zou in staat moeten zijn om door de wolken van puin te turen en enkele van hun ingrediënten te identificeren.
De James Webb Space Telescope, gepland om te lanceren in 2021, zou krachtig genoeg kunnen zijn om de interne composities van rotsachtige exoplaneten te meten terwijl ze door hun sterren worden verscheurd. (NASA) "Webb zou de relatieve hoeveelheden verschillende mineralen kunnen meten, " zegt Bodman. "Daaruit kunnen we afleiden dat de geochemie van het interieur van deze planeten was voordat ze begonnen uiteen te vallen." De bevindingen van Bodman en haar team over de haalbaarheid van het bestuderen van desintegrerende exoplaneten werden eind vorig jaar gepubliceerd in het Astronomical Journal .
**********
In 2012 ontdekten wetenschappers die gegevens van de Kepler-ruimtetelescoop van NASA bekeken tekenen van een wereld die langzaam wordt versnipperd door hitte en druk, Kepler-1520b. In de daaropvolgende jaren werden nog twee versnipperde planeten gevonden tussen de duizenden exoplaneten die Kepler en zijn uitgebreide missie K2 ontdekten. Omcirkeld hun sterren in slechts een handvol uren, deze rotsachtige lichamen bogen op temperaturen tot 4.200 graden Celsius (7.640 graden Fahrenheit) op de oververhitte gebieden tegenover de sterren.
De extreme temperaturen drijven de ontbinding van de planeet aan. "De atmosfeer is gewoon rotsdamp", zegt Bodman. "Het is de pure hitte van de planeet die deze dampdampatmosfeer afduwt."
Straling geproduceerd door de sterren duwt tegen de verdampte atmosfeer van de planeet, waardoor een bewolkte staart ontstaat. Hoewel Kepler niet in staat was om direct te meten hoe groot de gehulde planeten waren, suggereren simulaties dat ze zich tussen de grootte van de maan en Mars bevinden. Nog compacter en het desintegratieproces wordt afgesloten.
Deze objecten waren echter niet altijd zo klein en verschrompeld. Kepler-1520b en de twee andere objecten zoals het worden verondersteld te zijn gevormd als gasreuzen, waarna ze naar hun gastheersterren migreerden en helemaal tot aan de rotsachtige kern werden gestript.
De afgelopen jaren hebben exoplanet-wetenschappers grote stappen gezet in het bestuderen van de atmosfeer van grote, gasvormige planeten die rond andere sterren cirkelen. Het meeste van dat materiaal is rijk aan waterstof en helium en kan worden geïdentificeerd met behulp van NASA's Hubble Space Telescope. Maar de rotsachtige materialen vallen op een ander deel van het spectrum, "in golflengtes die Hubble momenteel niet kan bereiken", zegt Knicole Colon, een onderzoeksastrofysicus bij het Goddard Space Flight Center van NASA in Maryland, die de uiteenvallende planeet K2-22 heeft bestudeerd. "Met James Webb zouden we naar die golflengten kunnen gaan."
Met behulp van Webb om te zoeken naar materialen zoals ijzer, koolstof en kwarts, zouden astronomen een beter begrip krijgen van wat er zich in verre werelden afspeelt. "Als we een van deze kenmerken konden detecteren, zouden we met zekerheid kunnen zeggen wat deze rotsachtige lichamen zijn, " zegt Colon. "Dat kan absoluut zeer informatief zijn voor het begrijpen van rotsachtige exoplaneten in het algemeen."
Planeten vormen zich uit de stof- en gaswolk die overblijft na de geboorte van een ster. Wetenschappers denken dat de werelden van het zonnestelsel zijn gemaakt door een proces dat bekend staat als kiezelaanslag, waarbij kleine stukjes stof en gas samenkomen om steeds grotere objecten te maken. Uiteindelijk worden de kernen van de gasreuzen massief genoeg om overgebleven gas aan te trekken en vormen zo hun dikke atmosfeer. Maar de exacte stappen blijven moeilijk vast te stellen.
Het interieur van planeten rond andere sterren zou variëren, afhankelijk van de elementen in die bepaalde omgeving. Door deze verschillen uit te zoeken, kunnen onderzoekers die verleidelijke eerste stappen van planeetvorming beter begrijpen.
De afbeelding van een kunstenaar van een rotsachtige exoplaneet ter grootte van de aarde die rond een andere ster draait. (NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle) "Er is geen reden dat het zonnestelsel anders moet zijn dan exoplaneten, en vice versa, " zegt Colon. "We zijn allemaal planeten, dus we hebben ons allemaal op mogelijk vergelijkbare manieren gevormd. Het begrijpen van deze planeten is een nieuwe stap in het proces naar het grotere geheel."
Maar zelfs met vergelijkbare formatieprocessen vermoedt Bodman dat planeten rond andere sterren er misschien niet zo bekend uitzien. "De samenstelling in een exoplanetsysteem kan aanzienlijk verschillen van het zonnestelsel", zegt ze.
Hoewel Webb alleen informatie over de samenstelling van de exoplaneet kan plagen, kunnen geavanceerde instrumenten op een dag desintegrerende planeten nog meer over zichzelf onthullen. Terwijl de planeten wegkwijnen, konden astronomen een ongekend kijkje in hun interieur krijgen, mogelijk tot in de kern. "In theorie kunnen we meer weten over deze exoplaneten dan zelfs over de aarde, en zeker meer dan de andere planeten in het zonnestelsel, " zegt Bodman.
**********
In tegenstelling tot sterren, die tientallen miljarden jaren kunnen schijnen, blijven versnipperde werelden maar relatief kort hangen. Simulaties suggereren dat planeten zoals K2-22 slechts ongeveer 10 miljoen jaar hebben voordat ze volledig worden vernietigd. En omdat alle drie de werelden in een baan om de sterren draaien die miljarden jaren oud zijn, hebben ze waarschijnlijk nog niet zo lang hun huidige positie ingenomen.
Bodman en Colon denken allebei dat de gedoemde planeten waarschijnlijk ver buiten hun systeem zijn gevormd en vervolgens naar binnen zijn gemigreerd. Interacties met andere planeten hadden hen op hun noodlottige banen kunnen slingeren, hoewel al deze drie desintegrerende planeten de enige bekende satellieten van hun gastheersterren zijn. Bodman zegt dat het waarschijnlijk is dat de werelden pas onlangs een nauwe baan van hun sterren zijn begonnen, maar hoe ze daar zijn gekomen, blijft een open vraag.
De korte levensduur van een desintegrerende planeet - slechts een korte periode in het langere leven van een ster - is waarschijnlijk de reden waarom zo weinig van deze werelden zijn gevonden. "Ze zijn absoluut zeldzaam", zegt Bodman.
Beide vrouwen zijn het erover eens dat er een goede kans is dat nog een of twee desintegrerende exoplaneten zijn opgenomen in de Kepler-gegevens, met name de meest recente resultaten van K2. En de onlangs gelanceerde Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), die al honderden nieuwe planeten heeft gevonden, zal nog meer produceren.
"Ik denk dat het enige tijd zal duren om alles door te nemen, maar ik hoop dat we er meer vinden", zegt Colon.
