Hubble ziet vreemde exoplaneet met een enorme baan die zich gedraagt als onze onvindbare "Planeet Negen"

"Dit systeem maakt een mogelijk unieke vergelijking mogelijk met ons zonnestelsel", zei Meiji Nguyen. "De planeet is zeer ver verwijderd van de 'gaststerren' in een excentrische en erg fout gealigneerde baan, net zoals voorspeld wordt voor Planeet Negen. Dat roept de vraag op hoe deze planeten gevormd zijn en zich ontwikkeld hebben om in hun huidige configuratie te belanden." 

Nguyen is een astronoom aan de University of California, Berkeley en de voornaamste auteur van de studie over de exoplaneet die nu gepubliceerd is. 

Het systeem waarin de gasreus is ontdekt, is slechts 15 miljoen jaar oud. Dat doet veronderstellen dat ook onze Planeet Negen - als ze bestaat - zeer vroeg in de evolutie van ons 4,6 miljard jaar oude zonnestelsel zou kunnen ontstaan zijn.  

Planeet Negen is een hypothetische, nog nooit waargenomen planeet in ons zonnestelsel. De hypothese is in het leven geroepen om te verklaren waarom een groep van 6 transneptunische objecten - objecten met een baan buiten die van Neptunus - opmerkelijke banen rond de zon hebben die grotendeels buiten de Kuipergordel liggen. Intussen is nog een zevende object gevonden dat hetzelfde gedrag vertoont en Planeet Negen zou dan een baan volgen die tegenovergesteld is aan die van de objecten.  

De exoplaneet met een massa van 11 keer die van Jupiter werd in 2013 ontdekt met de Magellan-telescopen in het Las Campanas-observatorium in de Atacamawoestijn in Chili en HD 106906 b genoemd. 

De astronomen wisten toen echter niets over haar baan. Daarvoor was iets nodig dat enkel de Hubble-ruimtetelescoop kon: buitengewoon nauwkeurige metingen verzamelen van de beweging van de planeet in de loop van 14 jaar. Het team achter de nieuwe studie gebruikte gegevens uit het archief van de Hubble die aanwijzingen gaven voor deze beweging. 

De exoplaneet ligt extreem ver weg van het paar van heldere jonge sterren in het centrum van het stelsel, meer dan 730 keer de afstand van de aarde tot de zon, 730 astronomische eenheden, of bijna 110 miljard kilometer. 

Die enorme afstand maakte het een enorme uitdaging om de omloopbaan van 15.000 jaar te bepalen aan de hand van de Hubble-waarnemingen over zo'n relatief korte tijd. De planeet kruipt zeer traag rond in haar baan, door de zwakke aantrekking van de zwaartekracht van haar erg verre 'gaststerren'.  

Het Hubble-team was verrast te ontdekken dat deze verafgelegen planeet een extreme baan heeft die erg slecht gealigneerd is, die sterk helt met andere woorden, die uitgerekt is, dus geen cirkel maar een ellips, en die buiten de puinschijf ligt die de twee gaststerren van de planeet omringt. De puinschijf zelf ziet er ook erg vreemd uit, en mogelijk is de oorzaak daarvan de zwaartekrachtwerking van de eigenzinnige planeet. 

Hoe is de exoplaneet in zo'n verre en vreemd hellende baan terechtgekomen? De gangbare theorie is dat ze veel dichter bij de sterren ontstaan is, op zo'n 3 keer de afstand tussen de aarde en de zon. 

Maar weerstand in de gasschijf van het systeem maakte dat de baan van de planeet hoogte verloor, waardoor de planeet dichter naar de dubbelster toeschoof. De zwaartekrachteffecten van de rond elkaar draaiende sterren schopten de planeet dan in een excentrische baan die haar bijna uit het systeem gooide, de leegte van de interplanetaire ruimte in. Vervolgens zal een passerende ster van buiten het systeem de baan van de exoplaneet gestabiliseerd hebben en belet hebben dat de planeet haar thuissysteem zou verlaten. 

In 2019 gebruikten de teamleden Robert De Rosa van het ESO (European Southern Observatory) en Paul Kalas van de University of California precieze metingen van de afstand en de beweging door de Gaia-satelliet van de ESA om een aantal kandidaten te identificeren voor die passerende sterren van buiten het systeem.    

Paul Kalas leidde een team dat in een studie uit 2015 indirecte bewijzen vond voor het gedrag van de losgeslagen planeet: de puinschijf van het systeem is erg asymmetrisch in plaats van een cirkelvormige 'pizza' waarin het materiaal mooi verdeeld is. Eén kant van de schijf is afgeknot in verhouding met de tegenoverliggende kant. Die kortere kant is ook verstoord in verticaal opzicht in plaats van beperkt te zijn tot een smal vlak, zoals dat aan de overkant van de dubbelster wel het geval is.   

"Het idee is dat iedere keer dat de planeet het dichtste punt van haar baan  bij de dubbelster bereikt, ze het materiaal in de schijf verstoort", zei De Rosa. "Iedere keer dat de planeet erdoor komt, maakt ze de schijf korter en duwt ze die omhoog aan één kant. Dit scenario is getest met simulaties van dit systeem met de planeet in een gelijkaardige baan - dit was nog voor we wisten wat de baan van de planeet echt was."

"Het is zoals aankomen op de plaats van een verkeersongeluk, en proberen te reconstrueren wat er gebeurd is", zei Kalas. "Zijn het passerende sterren die de planeet verstoord hebben, en dan de planeet die de schijf verstoord heeft? Is het de dubbelster in het midden die de planeet eerst verstoord heeft, en vervolgens de planeet die de schijf verstoorde? Of hebben passerende sterren zowel de planeet als de schijf tegelijkertijd verstoord? Dit is astronomisch detectivewerk, het verzamelen van de bewijzen die we nodig hebben om tot geloofwaardige verhalen te komen over wat er hier gebeurd is." 

Het scenario zoals beschreven door De Rosa voor de bizarre baan van planeet HD 106906 b gelijkt wel enigszins op het scenario dat gemaakt kan hebben dat de hypotetische Planeet Negen terechtgekomen is in de uithoeken van ons zonnestelsel, ver voorbij de banen van de andere planeten en voorbij de Kuipergordel. 

Planeet Negen zou kunnen ontstaan zijn in het binnenste zonnestelsel en er uit geschopt kunnen zijn door interacties met Jupiter. Jupiter - de spreekwoordelijke gorilla van 400 kilogram in ons zonnestelsel - zou Planeet Negen hoogstwaarschijnlijk ver voorbij Pluto geworpen hebben. Passerende sterren kunnen vervolgens de baan van de buitengegooide planeet gestabiliseerd hebben door de baan weg te duwen van Jupiter en de planeten in het binnenste zonnestelsel.

"Het is alsof we een teletijdmachine hebben voor ons eigen planetensysteem die 4,6 miljard jaar teruggaat om te kijken wat er zou kunnen gebeurd zijn toen ons jonge zonnestelsel nog dynamisch actief was en alles door elkaar gegooid en herschikt werd", zei Kalas.

Tot nu toe hebben astronomen enkel indirect bewijs voor het bestaan van Planeet Negen. Aanleiding voor het opstellen van de hypothese van een negende planeet was de ontdekking van een cluster van zes kleine hemellichamen voorbij Neptunus, de planeet die het verst van onze zon staat, die vreemde banen volgen in vergelijking met de rest van het zonnestelsel.

Deze configuratie doet volgens een aantal astronomen veronderstellen dat deze hemellichamen samen zijn gedreven door de zwaartekracht van een zeer grote, nog niet waargenomen planeet. Een alternatieve theorie is dat er niet één reuzenplaneet is die de hemellichamen verstoord heeft, maar dat het onevenwicht in de plaats daarvan veroorzaakt wordt door de gecombineerde zwaartekrachtwerking van verschillende kleinere objecten. 

Een andere theorie ten slotte is dat Planeet Negen helemaal niet bestaat en dat het samengaan van de kleinere objecten enkel een statistische anomalie is, een toevallige afwijking.    

Astronomen willen de geplande James Webb ruimtetelescoop gebruiken om meer gegevens te verkrijgen over HD 106906 b en zo meer details te weten te komen over de planeet. 

"Een vraag die je zou kunnen stellen is: 'Heeft de planeet haar eigen puinsysteem rond zich? Vangt ze materiaal elke keer als ze dicht bij de gaststerren komt?' En met de thermische infrarode gegevens van Webb zou je in staat zijn dat te meten", zei De Rosa. "Ook denk ik dat Webb zou kunnen helpen om ons resultaat in verband met de baan van de planeet te bevestigen."

Omdat de Webb-telescoop gevoelig genoeg is om ook kleinere planeten met de massa van Saturnus waar te nemen, is hij mogelijk in staat om andere exoplaneten op te sporen die uitgestoten zijn uit dit binnenste planetenstelsel of uit andere binnenste planetenstelsels. 

"Met Webb kunnen we beginnen te zoeken naar planeten die zowel een beetje kleiner als een beetje minder helder zijn", zei Nguyen. "De unieke gevoeligheid en beeldvormingscapaciteiten van Webb zullen nieuwe mogelijkheden bieden om deze onconventionele planeten en sytemen op te sporen en te bestuderen." 

De lancering van de Webb-telescoop is gepland voor 2021, ten vroegste einde maart. 

De studie van Nguyen, De Rosa en Kalas over exoplaneet HD 106906 b is gepubliceerd in The Astronomical Journal. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van het Goddard Space Flight Center van de NASA.