Sinds de eerste exoplaneet in 1992 werd bevestigd, hebben astronomen duizenden werelden buiten ons zonnestelsel gevonden. Nu er steeds meer ontdekkingen gebeuren, begint de focus van exoplaneetonderzoek langzaam te verschuiven van exoplaneetontdekking naar exoplaneetkarakterisering. In wezen proberen wetenschappers nu de samenstelling van exoplaneten te bepalen om te bepalen of ze het leven al dan niet zouden kunnen ondersteunen.
Een belangrijk onderdeel van dit proces is uitzoeken hoeveel water er op exoplaneten bestaat, wat essentieel is voor het leven zoals we het kennen. Tijdens een recente wetenschappelijke conferentie presenteerde een team van wetenschappers nieuw onderzoek dat aangeeft dat water waarschijnlijk een belangrijk onderdeel is van die exoplaneten die twee tot vier keer zo groot zijn als de aarde. Deze bevindingen zullen ernstige gevolgen hebben als het gaat om het zoeken naar leven buiten ons zonnestelsel.
Het onderzoek was het onderwerp van een presentatie getiteld 'Groeimodelinterpretatie van planeetgrootteverdeling', die plaatsvond op de Goldschmidt-conferentie in 2018 in Boston. Tijdens een sessie getiteld "De rol van extreme atmosferische ontsnapping uit hete exoplaneten", presenteerde het team bevindingen die erop wezen dat waterwerelden vaker voorkomen dan eerder werd gedacht.
Deze bevindingen zijn gebaseerd op gegevens van de Kepler Space Telescope en Gaia missie, die werden geanalyseerd door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Dr. Li Zeng - een onderzoeker van de afdeling Aarde en Planetaire Wetenschappen van de Harvard University. Zoals ze hebben aangegeven, de Kepler Mission heeft de radii van meer dan 4000 exoplanet-kandidaten nauwkeurig gemeten, samen met hun omlooptijd en andere parameters.
Deze exoplanet-kandidaten kunnen worden onderverdeeld in twee grootteklassen: die met 1,5 keer de straal van de aarde en die met een gemiddelde van ongeveer 2,5 aardstralen. Gecombineerd met massa en recente straalmetingen van de Gaia missie, kon het team een model ontwikkelen van de interne structuur van deze planeten. Terwijl wordt aangenomen dat planeten die tot de eerste categorie behoren rotsachtig zijn, wordt algemeen aangenomen dat de laatste variëren van superaarde tot gasreuzen van Neptunusformaat.
Volgens het model dat Li en zijn collega's hebben ontwikkeld, kunnen veel van de bevestigde exoplaneten die twee tot vier keer zo groot zijn als de aarde, in feite waterwerelden zijn. Op deze planeten bestaat ongeveer 50% van de massa uit water, terwijl water slechts 0,2% uitmaakt van de massa van de aarde. Zoals Dr. Zeng tijdens de presentatie uitlegde:
“Het was een enorme verrassing om te beseffen dat er zoveel waterwerelden moeten zijn ... We hebben gekeken hoe massa zich verhoudt tot straal en hebben een model ontwikkeld dat de relatie zou kunnen verklaren. Het model geeft aan dat die exoplaneten met een straal rond x1,5 aardradius meestal rotsachtige planeten zijn (van typisch x5 de massa van de aarde), terwijl die met een straal van x2,5 aardradius (met een massa rond x10 die van de aarde) zijn waarschijnlijk waterwerelden ”.
Wanneer men echter de orbitale kenmerken van deze planeten in overweging neemt (d.w.z. hoe dicht ze om hun respectievelijke sterren cirkelen), begint er een zeer interessant beeld te ontstaan. Zoals Li uitlegde, zijn deze 'waterwerelden' niet zozeer rotsachtige planeten die bedekt zijn met diepe oceanen, maar een geheel nieuw type planeet waarvoor er geen equivalent is in het zonnestelsel.
'Dit is water, maar niet zo vaak hier op aarde. Hun oppervlaktetemperatuur ligt naar verwachting tussen de 200 en 500 graden Celsius, ”zei hij. “Hun oppervlak is mogelijk gehuld in een door waterdamp gedomineerde atmosfeer, met een vloeibare waterlaag eronder. Dieper bewegend, zou je verwachten dat dit water verandert in hogedrukijs voordat we de vaste rotsachtige kern bereiken. Het mooie van het model is dat het uitlegt hoe compositie zich verhoudt tot de bekende feiten over deze planeten. ”
Misschien nog verrassender was hoe gewoon deze planeten lijken te zijn. Volgens hun studie gaven Li en zijn collega's aan dat ongeveer 35% van alle bekende exoplaneten die groter zijn dan de aarde, waterrijk zouden moeten zijn. Bovendien veronderstellen ze dat ze waarschijnlijk zijn gevormd op een manier die vergelijkbaar is met hoe de kernen van gasreuzen zouden zijn gevormd - een rotsachtige kern omgeven door lagen van vluchtig materiaal dat door druk vast is gemaakt.
Deze ontdekking heeft natuurlijk grote gevolgen voor de zoektocht naar leven buiten ons zonnestelsel. Tot nu toe was het idee dat water essentieel is voor het leven zoals we dat kennen, een uitgemaakte zaak voor wetenschappers. Maar als deze studie juist is, dan lijkt het erop dat water veel overvloediger aanwezig is op exoplaneten dan voorheen, en het zou een belemmering kunnen zijn voor het leven zoals wij het kennen.
Als waterwerelden inderdaad bestaan uit hete, dampende atmosferen en dichte ijslagen dichter bij hun kernen, dan zou het moeilijk zijn om op deze werelden te leven. Kortom, de extreme hitte en het gebrek aan toegang tot voldoende zonlicht, hydrothermale activiteit en landmassa's zouden voor een behoorlijk vijandige omgeving zorgen. Desalniettemin biedt de studie enkele intrigerende mogelijkheden als het gaat om het karakteriseren van exoplaneten en het zien van wat er is.
Als we naar de toekomst kijken, hopen Li en zijn collega's dat de pas gelanceerde Doorgaande Exoplanet Survey Satellite (TESS) zal nog veel meer van deze waterwerelden vinden. Dit zal dan worden opgevolgd door telescopen op de grond - en de binnenkort te lanceren James Webb Space Telescope (JWST) - die spectroscopische metingen zal bieden die wetenschappers zullen helpen de composities en atmosferen van deze planeten te karakteriseren.
Zoals professor Sara Seager, een professor in de planetaire wetenschap aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), en de adjunct-wetenschappelijk directeur van de TESS-missie, zei:
"Het is verbazingwekkend om te denken dat de raadselachtige exoplaneten van gemiddelde grootte waterwerelden kunnen zijn met enorme hoeveelheden water. Hopelijk kunnen atmosfeerwaarnemingen in de toekomst - van dikke stoomatmosferen - de nieuwe bevindingen ondersteunen of weerleggen. ”
Ondertussen zijn er nog steeds genoeg rotsachtige werelden om te verkennen op tekenen van leven!
