Er zijn twee van de ooit gemeten exoplaneten met de laagste dichtheid gedetecteerd in een baan rond een ster op ongeveer 1110 lichtjaar van de aarde. Deze hemellichamen, genaamd TOI-791b en TOI-791c, hebben een volume dat vergelijkbaar is met dat van Jupiter, de grootste planeet in ons zonnestelsel, maar vertonen een dichtheid die zo verrassend laag is dat ze lichter zijn dan suikerspinnen. De onthulling van deze ontdekking, geleid door een internationale groep wetenschappers, werd gedetailleerd beschreven in het tijdschrift *Monthly Notices of the Royal Astronomical Society*.
De zeldzaamheid van ‘superopgeblazen’ mensen in het universum
Deze werelden behoren tot een ongebruikelijke classificatie van planeten die bekend staat als “super-puff” of “super-puffed” planeten. Ze worden gekenmerkt door hun enorme volumes en verrassend kleine massa’s, wat ze tot een raadsel maakt voor de huidige modellen van planetaire vorming. Vóór deze ontdekking waren er slechts vier voorbeelden van deze categorie bekend, waardoor de identificatie van twee nieuwe exemplaren in hetzelfde sterrenstelsel een gebeurtenis met grote impact was voor de astrofysica.
Unieke kenmerken van de nieuwe exoplaneten TOI-791b en TOI-791c
Uit metingen blijkt dat TOI-791b een dichtheid heeft van slechts 0,038 gram per kubieke centimeter (g/cm³), terwijl TOI-791c 0,047 g/cm³ registreert. Om het unieke karakter van deze waarden te illustreren, is het de moeite waard om te vergelijken: de gemiddelde dichtheid van de aarde is 5,5 g/cm³, en die van Jupiter, een gasreus, is 1,33 g/cm³. Dit kolossale verschil suggereert een samenstelling en interne structuur die radicaal verschillen van de planeten waarmee we meer vertrouwd zijn.
Astrofysicus George Dransfield, hoofdauteur van het onderzoek, benadrukte het belang van deze identificatie. ‘Tot nu toe kenden we maar weinig van deze superopgeblazen planeten. Het vinden van nog eens twee, en dat in hetzelfde systeem, is buitengewoon’, zei hij in een verklaring. De extreem lage dichtheid van deze lichamen maakt ze tot prioritaire doelwitten voor toekomstig onderzoek, met als doel de complexe processen te ontrafelen van hoe planetaire systemen in de loop van de tijd ontstaan en evolueren.
Uitdagingen voor modellen voor planetaire vorming
Het bestaan van planeten zo groot en licht als TOI-791b en TOI-791c vormt een grote uitdaging voor de heersende theorieën over de vorming van reuzenwerelden. De meest geaccepteerde modellen, zoals kernaanwas, suggereren dat gasvormige planeten ontstaan uit een vaste rotsachtige kern die, wanneer hij voldoende massa heeft bereikt, grote hoeveelheden gas uit zijn protoplanetaire schijf begint aan te trekken. Om deze planeten zulke lage dichtheden te laten hebben, zou er echter een vormingsproces of een atmosferische samenstelling nodig zijn die nog niet volledig begrepen wordt.
Wetenschappers speculeren dat de atmosfeer van deze ‘super-swellers’ mogelijk bestaat uit extreem lichte gassen, zoals waterstof en helium, misschien met een kleine hoeveelheid zwaardere elementen, of dat ze zijn gevormd onder zeer specifieke temperatuur- en drukomstandigheden die deze uitzetting mogelijk maakten. Straling van de moederster kan ook een cruciale rol spelen bij het ‘opblazen’ van hun atmosfeer. Verder onderzoek naar deze exoplaneten zou een herziening of toevoeging van nieuwe mechanismen aan de huidige modellen van hoe planeten zich ontwikkelen kunnen afdwingen.
De rol van de TESS-ruimtetelescoop bij de ontdekking
De ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij de ruimtetelescoop Transiting Exoplanet Survey (TESS) van NASA. TESS, gelanceerd in 2018, is een ruimteobservatorium dat naar exoplaneten zoekt met behulp van de transitmethode, waarbij het kleine dalingen in de helderheid van een ster detecteert wanneer een planeet ervoor passeert. Zijn vermogen om grote delen van de hemel lange tijd in de gaten te houden, heeft een belangrijke rol gespeeld bij het identificeren van duizenden exoplaneetkandidaten, waaronder zeldzame ‘superwolken’.
Het monitoren van TESS-waarnemingen met telescopen op de grond en andere ruimte-instrumenten is essentieel om de aard van exoplaneten te bevestigen en hun eigenschappen, zoals massa, straal en dichtheid, te karakteriseren. In het geval van TOI-791b en TOI-791c konden onderzoekers door het combineren van transitgegevens met radiale snelheidsmetingen hun massa’s berekenen en daarmee hun verrassend lage dichtheden.