We snappen steeds minder van hoe planeten ontstaan

Een planeet zo heet dat hij letterlijk verdampt. Stevige werelden van harde rots. Plekken waar je net als in de sciencefictionklassieker Star Wars aan de hemel niet één, maar twee ‘zonnen’ ziet. Zware superaardes, verstopt achter dikke sluiers van gas. En stelsels zo propvol planeten dat leven er van de ene naar de andere bol zou kunnen liften.

De buitenaardse plekken die astronomen de afgelopen jaren hebben ontdekt zijn gevarieerd en, bovenal, talrijk. Eeuwenlang, tot begin jaren negentig, kenden we er maar acht (of negen, als je het Pluto-fans vraagt): Venus, Aarde, Jupiter, enzovoort. De planeten die draaien om onze eigen zon. Maar sinds de ontdekking van de eerste planeet om een ándere ster gaat het hard. Duizenden van die zogeheten exoplaneten kennen we inmiddels, een definitief bewijs dat het heelal krioelt van exotische werelden. De inzichten uit die hausse aan vondsten helpen bij het zoeken naar antwoorden op de grote levensvragen. Vragen als: waar komen we vandaan? En: hoe is de aarde ontstaan?

Bovendien zijn er tientallen werelden ontdekt in de zogeheten ‘leefbare zone’ rond hun moederster, de afstand waarop oppervlaktewater vloeibaar is en leven wellicht mogelijk. Dat voedt de hoop dat we ook op de grootste van de grote vragen antwoord krijgen: de vraag of we eenzaam door een kille kosmos dobberen, of dat leven ook elders in dit heelal wortel heeft geschoten.

Nu de belangrijkste exoplaneetjager van onze tijd – ruimtetelescoop Kepler – definitief met pensioen is gegaan en zijn opvolger (ruimtesonde Tess) net begonnen is met een nieuwe zoektocht, blijkt dat de inzichten die al die nieuwe werelden ons gaven verrassender zijn dan gedacht. Een overzicht van de belangrijkste lessen van, door en over planeten.

Les 1: De nieuw ontdekte planeetstelsels lijken totaal niet op ons eigen zonnestelsel

Het gaat er behoorlijk braaf aan toe in dat zonnestelsel van ons. Acht planeten, overzichtelijk gerangschikt. Rotsachtige werelden als Mars en de aarde staan vlak bij de zon, gasreuzen als Jupiter en Uranus zweven verderop in de kosmische leegte. Stuk voor stuk draaien die planeten keurige, vrijwel cirkelvormige banen. Af en toe kletst ergens met grote vaart een verdwaald stuk ruimtesteen op een planeet, maar verder is het hier goed toeven. Een kosmisch bedevaartsoord waarin de mensheid rustig tot wasdom kon komen.

Nee, dan de rest van het heelal. Dat zit tjokvol extreme werelden. Neem nu planeet Kelt-9b, een reusachtige gasplaneet die zó dicht op een loeihete ster zit dat hij letterlijk aan het verdampen is. Of kijk naar Wasp-12b, een gasmonster grofweg tweemaal zo groot als Jupiter. Die wordt door de gigantische zwaartekracht van zijn ster uitgerekt tot een soort planetair mega-ei. Al net zo gezellig gaat het eraan toe op PSR B1257+12 A (en B en C, overigens), planeten die draaien om een pulsar, een extreme ster die de oppervlakten van zijn metgezellen dag in dag uit bekogelt met een stralingsdosis die een mens direct tot stof zou reduceren. En dan hebben we het nog niet gehad over HD 189733b, waar het – nee, echt – gesmolten glas regent. Van opzij. Dan kun je toch beter op aarde zitten.

Planeten zoals Kelt-9b en HD 189733b zijn gasreuzen die in tegenstelling tot bijvoorbeeld Jupiter niet in de uiterwaarden van een planeetstelsel bivakkeren, maar vlak bij hun moederster. Met alle gevolgen van dien.

En dat soort hete Jupiters zijn lang niet de enige nieuwe planeetsoort die astronomen de afgelopen jaren ontdekten. “De belangrijkste les die we hebben geleerd, is dat de diversiteit aan planeten in de kosmos enorm is”, zegt exoplaneetonderzoeker Ignas Snellen van de Universiteit Leiden.

Kijk maar naar de zogeheten superaardes: rotsachtige werelden die een slag groter zijn dan onze eigen planeet en die in ons eigen zonnestelsel nergens te bekennen zijn. Of sub-Neptunussen, grofweg even groot als superaardes, maar dan met een fikse toef gas om hun stenen kern. “Vroeger dachten we dat planeten met weinig massa automatisch rotsplaneten worden en dat zwaardere planeten met hun sterkere zwaartekracht gas aantrekken en dus onherroepelijk gasreuzen worden”, zegt Snellen. “Dat blijkt niet zo te zijn. Er zitten vele subtiele schakeringen tussen.”

Al die nieuwe planeettypen suggereren bovenal dat het zonnestelsel niet de gouden standaard is waar we het jarenlang voor hielden, een blauwdruk op basis waarvan we andere planeetsystemen kunnen begrijpen. Astronomen hebben zelfs nog nergens een stelsel gevonden dat op het onze lijkt. “Collega’s speculeren hardop dat het zonnestelsel heel zeldzaam is”, zegt Snellen. “Dat vind ik erg voorbarig.”

Ook astronoom Carsten Dominik, verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, vindt het “te vroeg” om te concluderen dat het zonnestelsel een uitzondering is. “We kunnen een planeetstelsel als ons zonnestelsel nu nog niet zo makkelijk detecteren”, zegt hij. “Onze gegevens zijn dus vertekend.”

Planeten dichter bij hun ster zijn nu nog gemakkelijker te vinden, onder andere doordat ze vaker voor hun ster langskruisen. Dat veroorzaakt geregeld terugkerende dipjes in de lichtsterkte van de ster, die astronomen door hun telescopen kunnen zien – alsof even een vuurvliegje voor een zaklamp langs vliegt en zo een fractie van het licht blokkeert.

Binnenkort komt daar dankzij de zogeheten Gaia-missie verandering in. Die levert astronomen een gedetailleerde 3D-kaart van ons thuissterrenstelsel, de Melkweg. Daarin kun je van miljoenen sterren de positie en snelheid vinden. Zo kunnen astronomen sterren ontdekken die flink wiebelen doordat een planeet er met zijn zwaartekracht aan trekt. “Dat wiebelen is in de Gaia-gegevens beter te zien wanneer zo’n planeet verder weg staat”, zegt Snellen.

Wel duurt het nog even voordat we de eerste verre planeet op die manier vinden. De meeste doen minimaal een jaar of tien over een rondje om hun moederster. “Gaia is nu pas twee jaar aan het meten”, zegt Dominik. “We moeten dus nog even geduld hebben.”

En zelfs dan is zoeken naar een exacte kopie van het zonnestelsel vermoedelijk een kansloze missie, zegt Snellen. “Een man van in de 40, zoals ik, is niet zeldzaam. Maar als ik op zoek ga naar een exacte kopie, met precies dezelfde oogkleur, lengte, gewicht, enzovoort – dan wordt het ineens heel lastig.” Net als de mens is ieder planeetstelsel waarschijnlijk uniek.

Les 2: Tijdens de planetaire puberteit blijven werelden niet braaf op hun plek zitten

Lang dachten we dat kosmische kolossen zoals het zonnestelsel vredige plekken waren, waar alles rustig verliep. Planeten ontstaan op de plek waarop we ze in het zonnestelsel vinden:  grote gasreuzen ver weg, kleine rotsplaneten dichtbij. En daarna blijven ze daar de rest van hun leven staan.

Dat beeld staat sinds de vondst van duizenden exoplaneten op z’n kop. Boosdoeners zijn de ‘hete Jupiters’: grote gasreuzen die zo dicht bij hun moederster staan dat ze er bijna op schoot zitten. En dat betekent dat grote planeten dicht bij hun ster kunnen ontstaan óf dat ze na geboorte alsnog heen en weer kunnen schuiven.

Zo’n planetaire puberteit, waarin jonge planeten tegendraads aan de wandel gaan, staat sinds kort in de boeken. Dat zware planeten ver weg ontstaan, lijkt namelijk onontkoombaar: verder weg is meer ‘spul’ beschikbaar. Net zoals een grammofoonplaat aan de buitenkant de meeste vierkante centimeters vinyl heeft. Verder weg is het ook kouder, zodat je gratis waterijs en bevroren CO₂ als extra bouwblokjes krijgt. En je wint daar dan ook nog eens gemakkelijker het wedstrijdje gravitationeel touwtrekken met de ster. Terwijl de ster het stof met zijn zwaartekracht stevig in de schijf trekt, wil een beginnende planeet het er juist uit zuigen om een bolletje te maken. Dat win je makkelijker op een afstandje.

Hoewel zware planeten die dichter op een ster ontstaan niet uitgesloten zijn – “daarvoor zien we in computersimulaties wel opties” – is dat dus vermoedelijk zeldzaam. Dominik: “Het zal véél vaker gebeuren dat een zware planeet verder weg ontstaat en daarna naar binnen beweegt.”

Dat bewegen van planeten, ‘migreren’ zeggen astronomen, heeft ook in ons zonnestelsel plaatsgevonden. Geïnspireerd door wat ze in verre planeetstelsels zagen, besloten astronomen onze lokale geschiedenis te simuleren. Al snel bleek dat de grote gasreuzen in het jonge zonnestelsel driftig heen en weer schoven, al keerden ze hier uiteindelijk weer terug naar hun oorspronkelijke deel van het stelsel.

Ook in andere planeetstelsels zien astronomen de sporen van dat chaotische geschuif. Snellen: “Hete Jupiters draaien vaak de verkeerde kant op, in vergelijking met andere planeten. Gasreuzen die iets verder weg staan, maar nog steeds relatief dicht op de ster zitten, hebben juist elliptische banen. Dat moet wel het gevolg zijn van het geweld waarmee ze ooit naar binnen zijn geschoven.”

Het lijkt erop dat dergelijke verplaatsingen vaste prik zijn in de chaos van jonge sterrenstelsels. Die planetaire puberteit duurt meestal tien à honderd miljoen jaar. Op een plek als het zonnestelsel, dat met zijn vijf miljard jaar al eventjes mee gaat, is alles inmiddels rustig. “Een stelsel dat continu zo chaotisch blijft als in het begin, trekt zichzelf namelijk onherroepelijk aan stukken”, zegt Dominik. Ook bij planeetstelsels komt stabiliteit dus met de jaren.

Les 3: We snappen nog steeds niet goed hoe planeten ontstaan

Astronomen verbonden aan de European Southern Observatory legden afgelopen september een bommetje onder ons beeld van hoe planeten ontstaan. Ze bekeken honderden stofschijven waarin planeten ontstaan met radiotelescoop Alma en zagen tot hun schrik dat er véél te weinig materiaal in zat om planeten te maken, zo schreven ze in het vakblad Astronomy & Astrophysics. “We moeten onze theorieën over planeetvorming herzien”, zei de Nederlandse astronoom Gijs Mulders (University of Chicago), niet bij het onderzoek betrokken, vervolgens tegen het vakblad Science.

Jarenlang gingen astronomen ervan uit dat werelden zoals de aarde, Jupiter, Kelt-9b en HD 189733b ontstonden in stofschijven waar ronddwarrelende stofkorreltjes en andere kleine deeltjes onder invloed van zwaartekracht aan elkaar plakten. Als een soort rollende sneeuwbal voegt steeds meer kosmisch ‘spul’ zich bij de vormende planeet, waardoor hij uiteindelijk kan uitgroeien tot planetaire proporties. Alleen staat die sneeuwbaltheorie door de recente waarnemingen nu plots op losse schroeven: het is lastig grote ballen draaien als je maar een klein beetje sneeuw hebt.

“Gelukkig zijn er wel uitwegen”, zegt Ignas Snellen, die het artikel “heel belangrijk” noemt. De auteurs beschreven die overigens zelf al in hun vakartikel. Allereerst zouden planeetkernen sneller kunnen groeien dan gedacht. Radiotelescoop Alma, een verzameling van 66 samenwerkende schotels in de Atacamawoestijn in Chili, is vooral goed in het zien van klein stof. Grotere korrels vanaf grofweg een centimeter ontsnappen daardoor aan zijn aandacht. “Dan denk je dus dat er te weinig materiaal is”, zegt Snellen. Het kan daarnaast ook nog dat het stof en gas in de schijven steeds wordt aangevuld, vanuit een nog onbekend reservoir, zodat je er bij één momentopname steevast te weinig aantreft. “Over dit soort ideeën wordt de komende tijd veel gediscussieerd, totdat we snappen hoe het zit. Zo werkt dat in onze wereld.”

Het artikel past bovendien in een trend, zegt Snellen. “Hoe meer waarnemingen we doen, hoe minder we begrijpen van hoe planeten zich vormen”, zegt hij. De stortvloed aan gegevens over exoplaneten en metingen aan de stofschijven waarin ze ontstaan maakt de vraagtekens almaar groter. En dat terwijl het vraagstuk zo cruciaal is: hoe planeten ontstaan, en welke materialen daarbij een rol spelen, raakt direct aan hoe onze eigen planeet, de aarde, werd gevormd. En waar de basisbouwstenen van het leven vandaan komen.

Een van de grootste raadsels waar astronomen mee worstelen is waarom planeten het vormingsproces überhaupt overleven. Nadat stofdeeltjes zijn samengeklonterd tot grotere objecten, bereiken ze rond een paar millimeter een kritische grens. “Vanaf dan zouden ze door interactie met de rest van de stofschijf moeten afremmen en in de ster moeten vallen”, zegt Snellen. Pas als ze een stuk groter geworden zijn - bollen met een diameter van een meter of tien - zijn de jonge planeten de stofschijf de baas. Snellen: “Maar daar tussenin snappen we er dus niet zoveel van.”

Ideeën zijn er wel. “We denken dat kleine deeltjes zich gaan gedragen als een soort peloton bij het wielrennen”, zegt Carsten Dominik. “Op die manier hebben ze minder last van het gas eromheen.” Alleen is het daarvoor dan wel weer noodzakelijk dat er voldoende korreltjes voorhanden zijn, dat de dichtheid van de schijf hoog genoeg is. Of dat het geval is bij de stofschijven die astronomen tot nog toe hebben gezien, is nog een open vraag.

Voorlopig snappen astronomen nog niet waar al het materiaal voor de aarde (en andere planeten) vandaan komt én waarom ons thuis in zijn tienerjaren niet plotseling de zon in is gekukeld. Dat maakt ons bestaan tot een prachtig raadsel dat naar verwachting nog wel even op een oplossing moet wachten.

Les 4: De kans is groot dat ergens een planeet bestaat met buitenaards leven

“Ik zal je één ding vertellen over het heelal”, zegt astronoom Ellie Arroway in een beroemd geworden scène uit sciencefictionfilm Contact (1997). “Het heelal is een behoorlijk grote plek. Het is groter dan iemand ooit gedroomd heeft. Dus als wij alleen zijn… dan voelt dat als vreselijke ruimteverspilling. Toch?”

Het is grofweg die redenering die alien-optimisten bezigen wanneer ze stellen dat het onvoorstelbaar lijkt dat de aarde in dit uitgestrekte heelal – dat naar verwachting gevuld is met miljarden en miljarden planeten – de enige plek zou zijn waar leven voorkomt. En dat idee heeft, sinds de meting van de eerste exoplaneet, alleen maar aan kracht gewonnen.

“Toch hebben we uit het exoplaneetonderzoek strikt gesproken nog niets nieuws geleerd over het bestaan van buitenaards leven”, zegt Ignas Snellen. “Of wel ja… we weten natuurlijk wél dat rotsachtige planeten zoals de aarde op veel plekken voorkomen.”

Snellen vermoedt zelfs dat het de meest voorkomende planeetsoort in het heelal is, al zijn deze met de huidige methoden nog lastig te vinden. “Maar wanneer het technisch wel kan, vinden we ze eigenlijk altijd ook”, zegt hij.

Neem bijvoorbeeld Proxima b, de rotsachtige planeet die rond Proxima Centauri draait, de ster het dichtst bij de zon, op een afstand die vloeibaar water mogelijk maakt. Of, een stukje verderop, de rotsachtige superaarde die astronomen in november ontdekten rond de Ster van Barnard. Het zijn plekken waar leven overigens niet erg waarschijnlijk is. Zo is het op de planeet van Barnard zo’n 170 graden onder nul. Terwijl potentieel leven op Proxima b dankzij heftige steruitbarstingen continu wordt bestookt met naar aardse begrippen dodelijke straling.

Iets hoopvoller is het zogeheten Trappist-systeem, waar drie planeten in de leefbare zone draaien, de afstand waarop vloeibaar water mogelijk is. “Daar zou leven dus kunnen bestaan”, zegt Carsten Dominik. “Althans: als die planeten bijvoorbeeld een atmosfeer hebben.”

Kijk puur naar de astronomische feiten en je kunt bijna niet anders dan optimistisch zijn. Dominik: “We hebben tot nog toe geen enkele showstopper gezien die zegt dat leven minder vaak zou voorkomen dan gedacht.” Planeten komen voldoende voor, naar verwachting óók om vriendelijkere sterren dan Proxima Centauri. Van die planeten zal een fractie vloeibaar water hebben. En daarvan zal een fractie naar verwachting leven bevatten. “Hier op aarde is het leven binnen een paar honderd miljoen jaar ontstaan”, zegt Snellen. “Waarom zou dat dan elders niet net zo gaan?”

Naar dat leven zijn astronomen als Snellen en Dominik daarom hard op zoek. Het zou zelfs kunnen dat het in de buurt zit. Voor een bevestiging is het wel wachten op de volgende generatie telescopen. De geplande opvolger van NASA’s ruimtetelescoop Hubble, de James Webb Space Telescope, kan bijvoorbeeld kijken of de planeten rond Trappist een atmosfeer hebben. En de Extremely Large Telescope, die ESO nu in Chili bouwt, kan speuren naar water op Proxima b.

Als leven echter zeldzamer is – zelfs als het bijvoorbeeld ‘slechts’ een op de duizend keer voorkomt – dan moeten we voorlopig geduld hebben. “Of je moet andere technieken gebruiken waarmee je nu al veel verder het heelal in kunt kijken”, zegt Dominik. “Dan wordt het toch speuren of je radiosignalen van intelligente beschavingen kunt opvangen.”

Die missie heeft tot nog toe geen succes gehad, al is dat ook weer niet zo vreemd. Het heelal is, zoals Ellie Arroway in Contact zei, nu eenmaal best wel groot. Je moet dan ook niet vreemd opkijken als het zoeken naar een planeet met leven in die kosmische hooiberg wat langer duurt dan gehoopt.