Hoe groot kan een planeet worden? De grens tussen extreem zware gasreuzen en mislukte sterren is soms vaag

Sommige gasreuzen zijn zo groot dat astronomen er al jaren over twisten: zijn het nog wel planeten of eigenlijk mislukte sterren? In een sterrenstelsel op 133 lichtjaar afstand hebben onderzoekers van de University of California San Diego nu een chemisch spoor gevonden dat helpt om deze fundamentele vraag te beantwoorden.

Met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop ontdekte het Amerikaanse team zwavel in de atmosfeer van extreem zware gasreuzen. Dit is een belangrijke aanwijzing dat ook deze kosmische zwaargewichten op dezelfde manier ontstaan als de gasplaneten in ons zonnestelsel. Gasreuzen bestaan grotendeels uit waterstof en helium en hebben, in tegenstelling tot rotsachtige planeten zoals de Aarde, geen vast oppervlak.

In ons zonnestelsel zijn Jupiter en Saturnus de bekendste voorbeelden. Maar elders in de Melkweg cirkelen gasplaneten rond die vijf tot tien keer zo zwaar zijn als Jupiter. Bij zulke extremen begint het onderscheid tussen planeten en bruine dwergen te vervagen. Bruine dwergen zijn ruimteobjecten die net te klein zijn om als ster waterstof te laten fuseren.

Kernaccretie

De grote vraag is al jaren: hoe ontstaan zulke monsters? Beginnen ze als vaste kern en groeien ze langzaam verder omdat ze steeds meer gas aantrekken, het zogeheten kernaccretiemodel? Of ontstaan ze razendsnel doordat een gaswolk rond een jonge ster instabiel wordt en onder zijn eigen zwaartekracht instort, zoals bij stervorming gebeurt?

Het antwoord komt uit het HR 8799-systeem, waar een relatief jonge ster in het sterrenbeeld Pegasus aan het stralen is. Rond deze ster draaien vier enorme gasreuzen, elk vijf tot tien keer zo zwaar als Jupiter. En het zijn geen kleine rondjes die ze maken: het gaat hierbij om een lengte tot zeventig keer de afstand tussen Aarde en zon. “Dit systeem kun je zien als een uitvergrote versie van ons eigen zonnestelsel”, leggen de onderzoekers uit.

Er zijn net als bij ons vier buitenste gas- en ijsreuzen. Juist die combinatie van grote massa’s en verre banen zorgde lange tijd voor sceptische blikken in academische kringen. Volgens klassieke modellen die gebaseerd zijn op ons zonnestelsel hebben zulke planeten niet genoeg tijd om te groeien. Hun ster zou de omringende schijf al eerder met veel geweld wegblazen.

Zwavel

Zonder de geavanceerde technologie aan boord van de James Webb-ruimtetelescoop was het nooit gelukt om het licht van de planeten zo nauwkeurig te ontleden. Het team richtte zich hierbij niet op vluchtige moleculen als water of koolmonoxide, maar op zogeheten refractaire elementen. Dit zijn chemische stoffen met extreem hoge smelt- en kookpunten, die bestand zijn tegen extreme hitte zonder te vervormen of smelten. Ze komen alleen in vaste vorm voor in de protoplanetaire schijf tijdens planeetvorming.

Zwavel is zo’n element. “De aanwezigheid van zwavel is een sterke aanwijzing dat deze gasreuzen zijn ontstaan via kernaccretie”, vertelt astronoom Jean-Baptiste Ruffio. “Dat betekent dat ze, ondanks hun enorme massa, waarschijnlijk ongeveer op dezelfde manier zijn ontstaan als Jupiter. Dat hadden we eerlijk gezegd niet verwacht.”

Huzarenstukje

We mogen wel spreken van een technisch huzarenstukje: deze ontdekking was allesbehalve eenvoudig. De planeten zijn zo’n 10.000 keer zwakker dan hun ster en de spectrograaf van Webb is niet ontworpen om dat te kunnen detecteren. Maar dat was buiten Ruffio gerekend. Hij ontwikkelde nieuwe analysetechnieken om het zwakke signaal uit de data te filteren. Tegelijk bouwde collega Jerry Xuan extreem gedetailleerde atmosfeermodellen.

“De kwaliteit van de Webb-data is ongekend”, zegt Xuan enthousiast. “Maar bestaande modellen schoten tekort. We bleven maar finetunen en uiteindelijk lukte het om duidelijke sporen van zeldzame moleculen waar te nemen. Toen we voor het eerst waterstofsulfide oppikten waren we in de wolken.”

Waar ligt de grens?

De onderzoekers vonden overtuigend bewijs voor zwavel in planeet HR 8799 c en vermoeden dat het ook in de andere binnenste planeten aanwezig is. Ook is duidelijk geworden dat de planeten relatief meer zware elementen bevatten dan hun ster. En dat is nóg een klassiek kenmerk van planeetvorming. Volgens onderzoeker Quinn Konopacky zit er na deze studie niks anders op voor hem en zijn collega’s: ze moeten hun theorieën bijstellen. “Oudere modellen zijn nu achterhaald. Gasreuzen kunnen blijkbaar ook ver van hun ster stevige kernen vormen.”

Toch blijft één vraag knagen. “Hoe groot kan een planeet eigenlijk worden?”, vraagt Ruffio zich af. “Kan een planeet vijftien, twintig, dertig keer zo zwaar zijn als Jupiter en toch ontstaan zijn uit een protoplanetaire schijf? En waar ligt de overgang tussen planeetformatie en bruine dwergformatie?” Voorlopig kunnen astronomen niet anders dan het antwoord ster voor ster uitzoeken.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Aan de extreme poolwinden op Jupiter en Saturnus kun je zien wat er in het hart van de gasreuzen speelt en Waarom waaien de winden op Jupiter en Saturnus de andere kant op dan op Neptunus? Wetenschappers kraken de code.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: