Planeten van TRAPPIST-1 stelsel bevatten mogelijk veel water

De vorm waarin dat water aanwezig zou zijn op de TRAPPIST-1 planeten hangt af van de hoeveelheid warmte die de planeten krijgen van hun ster, die slechts een massa heeft van 9 procent van onze zon. De planeten die het dichtst bij de ster staan, hebben meer kans om water te hebben in de vorm van damp in de atmosfeer, terwijl de planeten verder af mogelijk ijs op hun oppervlak hebben. 

Planeet TRAPPIST-1e - de planeten zijn b, c, d, e, f, g en h genoemd, waarbij b het dichtst bij de ster staat en h het verst - is de meest rotsachtige van de zeven, maar de onderzoekers denken dat ook zij het potentieel heeft om vloeibaar water te bevatten. 

"We weten nu meer over TRAPPIST-1 dan over om het even welk ander planetair systeem, ons eigen systeem uitgezonderd", zei Sean Varey aan de NASA. "De verbeterde densiteiten in onze studie verfijnen op een dramatische manier ons begrip van de aard van deze mysterieuze werelden." Varey is de manager van het Spicer Science Center aan Caltech/IPAC in Pasadena. 

Sinds in februari 2017 de omvang van het stelsel duidelijk werd, hebben onderzoekers hard gewerkt om deze planeten te beschrijven, en meer informatie over ze te verzamelen. De nieuwe studie biedt betere schattingen voor de densiteit van de planeten dan ooit tevoren.  

TRAPPIST-1 droeg vroeger de welluidende naam 2MASS J23062928-0502285, maar is hernoemd naar de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chili. Die telescoop ontdekte in 2016 twee van de zeven planeten van het stelsel. De Spitzer Space Telescope van de NASA bevestigde in 2017, samen met een aantal telescopen op aarde, het bestaan van die twee planeten, en ontdekte de andere vijf in het systeem. 

Sindsdien heeft ook de Keppler ruimte-telescoop van de NASA het TRAPPIST-1 systeem geobserveerd, en Spitzer begon met een programma van 500 bijkomende observatie-uren, dat in maart ten einde loopt. De schat aan bijkomende gegevens die dat heeft opgeleverd, heeft de auteurs van de nieuwe studie toegelaten een duidelijker beeld te schetsen van het systeem dan ooit tevoren, hoewel er ook veel is dat nog moet ontdekt worden. 

De planeten van TRAPPIST-1  zitten zo dicht op elkaar gepakt dat iemand die op het oppervlak van een van de werelden zou staan, een spectaculair zicht zou hebben op de dichtsbijzijnde planeten in de lucht. Die planeten zouden soms groter lijken dan de maan voor een waarnemer op aarde.

Mogelijk kennen ze net als de maan gesynchroniseerde rotatie, wat betekent dat dezelfde kant van de planeet altijd naar de ster gericht is, en dat de planeet dus een dag- en een nachtkant heeft. Hoewel de zeven planeten van het stelsel allemaal dichter bij de ster staan dan Mercurius bij de zon staat, is het mogelijk dat sommige van de planeten vloeibaar water zouden bevatten, omdat TRAPPIST-1 een erg koele ster is. Mercurius is de planeet in ons zonnestelsel die het dichtst bij de zon staat. 

In de nieuwe studie hebben onderzoekers onder leiding van Simon Grimm van de Universität Bern in Zwitserland, computermodellen gecreëerd om een betere simulatie te kunnen maken van de planeten, gebaseerd op al de beschikbare informatie. Voor elke planeet moesten ze met een model komen, gebaseerd op de nieuwe metingen van de massa, de omloopperiode en een reeks andere factoren, wat het een extreem moeilijk "35-dimensioneel" probleem maakte, zo zei Grimm. Het grootste deel van 2017 werd in beslag genomen door het uitvinden van nieuwe technieken en het uitvoeren van simulaties om de samenstelling van de planeten te karakteriseren. 

Omdat ze zo ver weg staan, is het onmogelijk om precies te weten hoe elke planeet van TRAPPIST-1 er uit ziet. In ons eigen zonnestelsel hebben de maan en Mars nagenoeg dezelfde densiteit, maar hun oppervlak ziet er volkomen verschillend uit. 

"Hoewel dichtheden belangrijke aanwijzingen geven voor de samenstelling van de planeten, zeggen ze niets over de eventuele bewoonbaarheid. Onze studie is echter een belangrijke stap vooruit, en we gaan voort met te onderzoeken of deze planeten leven zouden kunnen in stand houden", zei Brice-Olivier Demory van de Universität Bern, een van de mede-auteurs van de studie.

Gebaseerd op de beschikbare gegevens, zijn hier de beste hypotheses van de onderzoekers over hoe de planeten er uit zouden kunnen zien: 

TRAPPIST-1b, de binnenste planeet, heeft waarschijnlijk een rotsachtige kern, omgeven door een atmosfeer die veel dichter is dan die van de aarde. 

TRAPPIST-1c heeft waarschijnlijk ook een rotsachtige kern, maar met een dunnere atmosfeer dan b. 

TRAPPIST-1d is de lichtste van de planeten, en heeft zo'n 30 procent van de massa van de aarde. De onderzoekers zijn niet zeker dat ze een dichte atmosfeer heeft, een oceaan of een ijslaag, al deze drie dingen zouden de planeet een omhulsel geven van vluchtige substanties, wat te verwachten zou zijn voor een planeet met deze densiteit. 

De geleerden waren verbaasd dat planeet TRAPPIST-1e de enige planeet is in het systeem die een iets hogere densiteit heeft dan de aarde. Dat laat veronderstellen dat de planeet een dichtere ijzeren kern heeft dan onze thuisplaneet. Zoals TRAPPIST-1c heeft de planeet niet noodzakelijk een dichte atmosfeer, een oceaan of een ijslaag - en dat maakt deze twee planeten apart in het systeem. Het is een mysterie waarom TRAPPIST-1e een veel rotsachtiger samenstelling heeft dan de overige planeten. Op het gebied van grootte, densiteit en de hoeveelheid straling die ze ontvangt van haar ster, lijkt deze planeet het meest op de aarde. 

TRAPPIST-1f, g en h staan zo ver van hun zon dat het water op hun oppervlak kan voorkomen in bevroren vorm, als ijs dus. Als deze planeten dunne atmosferen hebben, lijkt het onwaarschijnlijk dat ze de zware moleculen van op de aarde, zoals koolstofdioxide, zouden bevatten. 

"Het is interessant dat de planeten met de grootste densiteit niet de planeten zijn die het dichtst bij de ster, en dat de koudere planeten geen dichte atmosferen kunnen hebben", zei Caroline Dorn, een mede-auteur van de studie van de Universität Zurich. 

Onderzoekers zijn in staat om de densiteit van de planeten te berekenen doordat ze zodanig in een rij opgesteld staan, dat onze telescopen op aarde en in de ruimte een verzwakking van het licht van de ster kunnen waarnemen, als de planeten voor hun ster voorbijtrekken. Dat wordt een overgang of transit genoemd, en de hoeveelheid waarmee het licht vermindert, staat in verhouding met de doormeter van de planeet. 

Om tot de densiteit te komen, maken onderzoekers gebruik van wat "transit timing variations" genoemd wordt. Als er geen andere invloeden van de zwaartekracht zouden inspelen op een planeet tijdens een overgang, zou ze altijd haar ster voorbijgaan in dezelfde tijdsduur.

Maar omdat de planeten van TRAPPIST-1 zo dicht op elkaar gepakt zitten, veranderen ze de duur van elkaars omloop, van elkaars "jaar" als het ware, heel lichtjes. Die kleine variaties in de timing van de omlopen worden gebruikt om de massa van de planeten te schatten. En vervolgens worden dan de massa en de straal gebruikt om de dichtheid van de planeten te berekenen. 

De studie van Grimm en zijn team zal verschijnen in "Astronomy & Astrophysics".

In een andere studie is met de Hubble ruimtetelescoop voor het eerst een spectroscopisch onderzoek gedaan van de planeten d, e, f en g die zich in de bewoonbare zone bevinden rond ster TRAPPIST-1. 

Uit de waarnemingen blijkt dat minstens drie van de exoplaneten, d, e en f, geen opgeblazen, waterstof-rijke atmosferen hebben die lijken op die van gasplaneten, zoals Neptunus. Dat is opnieuw een aanwijzing voor de rotsachtige samenstelling van die drie planeten. 

Voor de vierde planeet, g, zijn er nog bijkomende waarnemingen nodig om het waterstofgehalte in de atmosfeer vast te stellen. Waterstof is een broeikasgas, dat een planeet die te dicht bij haar ster staat, versmacht, en heet en ongastvrij voor leven maakt. 

Hoewel de Hubble geen aanwijzingen heeft gevonden voor de aanwezigheid van waterstof, denken de onderzoekers dat de atmosferen van de planeten dat element wel kunnen bevat hebben, toen ze voor het eerst gevormd werden. De planeten hebben zich mogelijk gevormd verder weg van de ster, in een kouder gebied van de gasachtige protoplanetaire schijf die ooit de jonge ster omcirkeld zal hebben. 

"Het systeem is nu dynamisch stabiel, maar de planeten kunnen zich niet gevormd hebben in deze opeengepakte groep", zei Nikole Lewis in een persbericht van de NASA. "Ze zitten te dicht op elkaar nu, en dus moeten ze gemigreerd zijn naar waar we ze nu zien. Hun primordiale atmosferen, voornamelijk bestaande uit waterstof, kunnen weggekookt zijn toen ze dichter naar de ster kwamen, en vervolgens hebben de planeten een secundaire atmosfeer gevormd." Lewis werkt aan het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, en leidde mee de Hubble-studie.

De rotsachtige planeten in ons zonnestelsel hebben zich daarentegen waarschijnlijk wel gevormd in het hetere, drogere gebied dichter bij de zon. "Er zijn geen parallellen in ons zonnestelsel voor deze planeten", zo zei teamlid Hannah Wakeford van STScI. "Een van de dingen die onderzoekers ontdekken, is dat veel van de meer algemene exoplaneten geen parallellen hebben in ons zonnestelsel. En de waarnemingen van de Hubble zijn dus een enige gelegenheid om een ongewoon systeem te onderzoeken."

De studie van het Hubble-team, waarvan ook onze landgenoten Emmanuël Jehin en Michaël Gillon van het Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR) Institute van de Université de Liège deel uitmaakten, is verschenen in "Nature Astronomy".

Het team van de Hubble wil nu follow-up waarnemingen verrichten in het ultraviolet, om te zoeken naar kleine hoeveelheden waterstof die ontsnappen aan de atmosfeer van de planeten, en die geproduceerd worden door processen lager in de atmosfeer, waar water of methaan aan te pas komt.

De volgende stap in het onderzoek wordt dan de James Webb Space Telescope van de NASA, die in 2019 gelanceerd wordt. Die moet in staat zijn om een definitief antwoord te geven op de vraag of de planeten een atmosfeer hebben, en waaruit die is samengesteld. Mogelijk bevatten de exoplaneten een reeks verschillende atmosferen, net zoals de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel. 

"Een van deze vier (planeten van TRAPPIST-1 in de bewoonbare zone) zou een waterwereld kunnen zijn, zei Wakeford. "Een zou een exo-Venus kunnen zijn, en een andere een exo-Mars. Het is interessant omdat we vier planeten hebben die op verschillende afstanden van de ster staan. Zo kunnen we een beetje meer leren over ons eigen diverse zonnestelsel, aangezien we leren welke impact de ster TRAPPIST-1 heeft gehad op haar planeten."