De rode dwergster TRAPPIST-1 is de thuisbasis van de grootste groep planeten ter grootte van de aarde die ooit in een enkel stellair systeem zijn gevonden. Op ongeveer 40 lichtjaar afstand, deze zeven rotsachtige broers en zussen zijn een voorbeeld van de enorme verscheidenheid aan planetenstelsels die waarschijnlijk het universum vullen.

Een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in de Planetair wetenschappelijk tijdschrift toont aan dat de planeten TRAPPIST-1 opmerkelijk vergelijkbare dichtheden hebben. Dat zou kunnen betekenen dat ze allemaal ongeveer dezelfde verhouding van materialen bevatten waarvan wordt aangenomen dat ze de meeste rotsachtige planeten vormen, zoals ijzer, zuurstof, magnesium, en silicium. Maar als dit het geval is, die verhouding moet aanzienlijk anders zijn dan die van de aarde:de TRAPPIST-1-planeten zijn ongeveer 8% minder dicht dan ze zouden zijn als ze dezelfde samenstelling hadden als onze thuisplaneet. Op basis van die conclusie de auteurs van het artikel veronderstelden dat een paar verschillende mengsels van ingrediënten de TRAPPIST-1-planeten de gemeten dichtheid zouden kunnen geven.

Sommige van deze planeten zijn al sinds 2016 bekend, toen wetenschappers aankondigden dat ze drie planeten rond de ster TRAPPIST-1 hadden gevonden met behulp van de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chili. Daaropvolgende waarnemingen door NASA's nu gepensioneerde Spitzer Space Telescope, in samenwerking met telescopen op de grond, bevestigde twee van de oorspronkelijke planeten en ontdekte er nog vijf. Beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, Spitzer observeerde het systeem meer dan 1, 000 uur voordat ze in januari 2020 uit bedrijf werden genomen. NASA's Hubble en de inmiddels gepensioneerde Kepler-ruimtetelescopen hebben het systeem ook bestudeerd.

Alle zeven TRAPPIST-1 planeten, die zo dicht bij hun ster staan ​​dat ze in de baan van Mercurius zouden passen, werden gevonden via de transitmethode:wetenschappers kunnen de planeten niet direct zien (ze zijn te klein en zwak ten opzichte van de ster), dus zoeken ze naar dalingen in de helderheid van de ster die ontstaan ​​wanneer de planeten ervoor kruisen.

Herhaalde waarnemingen van de sterlichtdips in combinatie met metingen van de timing van de banen van de planeten stelden astronomen in staat om de massa's en diameters van de planeten te schatten, die op hun beurt werden gebruikt om hun dichtheden te berekenen. Eerdere berekeningen bepaalden dat de planeten ongeveer de grootte en massa van de aarde hebben en dus ook rotsachtig moeten zijn, of terrestrisch - in tegenstelling tot door gas gedomineerde, zoals Jupiter en Saturnus. Het nieuwe artikel biedt de meest nauwkeurige dichtheidsmetingen tot nu toe voor elke groep exoplaneten - planeten buiten ons zonnestelsel.

IJzeren heerschappij

Hoe nauwkeuriger wetenschappers de dichtheid van een planeet kennen, hoe meer beperkingen ze kunnen stellen aan de samenstelling ervan. Bedenk dat een presse-papier ongeveer even groot kan zijn als een honkbal, maar meestal veel zwaarder is. Samen, breedte en gewicht onthullen de dichtheid van elk object, en van daaruit is het mogelijk om af te leiden dat de honkbal is gemaakt van iets lichters (string en leer) en de presse-papier is gemaakt van iets zwaarders (meestal glas of metaal).

De dichtheden van de acht planeten in ons eigen zonnestelsel lopen sterk uiteen. de gezwollen, door gas gedomineerde reuzen - Jupiter, Saturnus, Uranus, en Neptunus - zijn groter maar veel minder dicht dan de vier terrestrische werelden omdat ze voornamelijk zijn samengesteld uit lichtere elementen zoals waterstof en helium. Zelfs de vier aardse werelden vertonen enige variatie in hun dichtheden, die worden bepaald door zowel de samenstelling van een planeet als de compressie als gevolg van de zwaartekracht van de planeet zelf. Door het effect van de zwaartekracht af te trekken, wetenschappers kunnen berekenen wat bekend staat als de ongecomprimeerde dichtheid van een planeet en mogelijk meer leren over de samenstelling van een planeet.

De zeven TRAPPIST-1-planeten hebben vergelijkbare dichtheden - de waarden verschillen niet meer dan 3%. Dit maakt het systeem heel anders dan het onze. Het verschil in dichtheid tussen de TRAPPIST-1-planeten en de aarde en Venus lijkt misschien klein - ongeveer 8% - maar het is significant op planetaire schaal. Bijvoorbeeld, een manier om uit te leggen waarom de TRAPPIST-1-planeten minder dicht zijn, is dat ze een vergelijkbare samenstelling hebben als de aarde, maar met een lager percentage ijzer - ongeveer 21% vergeleken met 32% van de aarde, volgens de studie.

Alternatief, het ijzer in de TRAPPIST-1-planeten kan worden doordrenkt met hoge niveaus van zuurstof, ijzeroxide vormen, of roest. De extra zuurstof zou de dichtheden van de planeten verminderen. Het oppervlak van Mars krijgt zijn rode tint van ijzeroxide, maar net als zijn drie aardse broers en zussen, het heeft een kern die bestaat uit niet-geoxideerd ijzer. Daarentegen, als de lagere dichtheid van de TRAPPIST-1-planeten volledig werd veroorzaakt door geoxideerd ijzer, de planeten zouden overal roestig moeten zijn en mochten geen vaste ijzeren kernen hebben.

Erik Agol, een astrofysicus aan de Universiteit van Washington en hoofdauteur van de nieuwe studie, zei dat het antwoord een combinatie van de twee scenario's zou kunnen zijn - minder ijzer in het algemeen en wat geoxideerd ijzer.

Het team onderzocht ook of het oppervlak van elke planeet bedekt kon worden met water, die zelfs lichter is dan roest en die de totale dichtheid van de planeet zou veranderen. Als dat het geval zou zijn, water zou ongeveer 5% van de totale massa van de buitenste vier planeten moeten uitmaken. Ter vergelijking, water maakt minder dan een tiende van 1% van de totale massa van de aarde uit.

Omdat ze te dicht bij hun ster zijn geplaatst om water onder de meeste omstandigheden vloeibaar te houden, de drie binnenste TRAPPIST-1-planeten zouden hete, dichte atmosferen zoals Venus', zodat water als stoom aan de planeet gebonden kan blijven. Maar Agol zegt dat deze verklaring minder waarschijnlijk lijkt omdat het toeval zou zijn dat alle zeven planeten net genoeg water hebben om zulke vergelijkbare dichtheden te hebben.

"De nachtelijke hemel is vol planeten, en het is pas in de afgelopen 30 jaar dat we hun mysteries kunnen ontrafelen, " zei Caroline Dorn, een astrofysicus aan de Universiteit van Zürich en een co-auteur van het artikel. "Het TRAPPIST-1-systeem is fascinerend omdat we rond deze ene ster kunnen leren over de diversiteit van rotsachtige planeten binnen een enkel systeem. En we kunnen zelfs meer over een planeet leren door ook zijn buren te bestuderen, dus dit systeem is daar perfect voor."