Grote Telescoop van de European Southern Observatory in Chili.Foto Weizmann Institute
Een nieuw ontdekt binair hemelsysteem kan ons begrip van de evolutie van planeten en sterren onder extreme omstandigheden vergroten
De zoektocht naar exoplaneten – planeten die rond sterren draaien die zich buiten de grenzen van ons zonnestelsel bevinden – is een hot topic in de astrofysica. Van de verschillende soorten exoplaneten is er eentje heet in letterlijke zin: hete Jupiters, een klasse exoplaneten die fysiek lijkt op de gasreus Jupiter uit onze eigen buurt. In tegenstelling tot "onze" Jupiter draaien hete Jupiters heel dicht bij hun sterren, voltooien ze een volledige baan in slechts een paar dagen of zelfs uren, en hebben ze - zoals hun naam al doet vermoeden - extreem hoge oppervlaktetemperaturen. Ze hebben een grote fascinatie voor de astrofysica-gemeenschap. Ze zijn echter moeilijk te bestuderen omdat ze door de schittering van de nabije ster moeilijk te detecteren zijn.
In een studie die vandaag in Nature Astronomy is gepubliceerd, rapporteren wetenschappers de ontdekking van een systeem dat bestaat uit twee hemellichamen, op ongeveer 1400 lichtjaar afstand, die samen een uitstekende gelegenheid bieden om de hete Jupiter-atmosfeer te bestuderen, evenals voor voortschrijdende ons begrip van planetaire en stellaire evolutie. De ontdekking van dit binaire systeem - het meest extreme in zijn soort dat tot nu toe bekend is in termen van temperatuur - werd gedaan door analyse van spectroscopische gegevens verzameld door de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in Chili.
"We hebben een in een baan om een ster draaiend heet Jupiter-achtig object geïdentificeerd dat het heetste ooit gevonden is, ongeveer 2000 graden heter dan het oppervlak van de zon", zegt hoofdauteur van de studie Dr. Naama Hallakoun, een postdoctoraal onderzoeker verbonden met het team van Dr. Sagi Ben-Ami op de afdeling Deeltjesfysica en astrofysica van het Weizmann Institute of Science. Ze voegt eraan toe dat het, in tegenstelling tot door schittering verduisterde hete Jupiter-planeten, mogelijk is om dit object te zien en te bestuderen omdat het erg groot is in vergelijking met de ster waar het omheen draait, die 10.000 keer zwakker is dan een normale ster. "Dit maakt het een perfect laboratorium voor toekomstig onderzoek naar de extreme omstandigheden van hete Jupiters", zegt ze.
Dr. Naama Hallakoun. Foto Weizmann Institute
Een uitbreiding van het onderzoek dat ze in 2017 deed met prof. Dan Maoz, haar PhD-adviseur aan de Universiteit van Tel Aviv, Hallakouns nieuwe ontdekking kan het mogelijk maken om een beter begrip te krijgen van hete Jupiters, evenals van de evolutie van sterren in binaire systemen.
Massieve bruine dwerg met een "maanachtige" oriëntatie
Het binaire systeem dat Hallakoun en collega's ontdekten, omvat twee hemellichamen die beide "dwergen" worden genoemd, maar die heel verschillend van aard zijn. De ene is een 'witte dwerg', het overblijfsel van een zonachtige ster nadat deze zijn nucleaire brandstof heeft opgebruikt. Het andere deel van het paar, geen planeet of ster, is een "bruine dwerg" - een lid van een klasse objecten met een massa tussen die van een gasreus zoals Jupiter en een kleine ster.
Bruine dwergen worden soms mislukte sterren genoemd omdat ze niet massief genoeg zijn om waterstoffusiereacties aan te drijven. In tegenstelling tot gasreuzenplaneten zijn bruine dwergen echter massief genoeg om de "aantrekkingskracht" van hun stellaire partners te overleven.
"De zwaartekracht van sterren kan ervoor zorgen dat objecten die te dichtbij komen uit elkaar vallen, maar deze bruine dwerg is compact, met 80 keer de massa van Jupiter samengeperst in de grootte van Jupiter", zegt Hallakoun. "Hierdoor kan het intact overleven en een stabiel, binair systeem vormen."
Wanneer een planeet heel dicht bij zijn ster draait, kunnen de differentiële zwaartekrachtkrachten die aan de nabije en verre kant van de planeet werken, ervoor zorgen dat de omloop- en rotatieperioden van de planeet synchroon lopen. Dit fenomeen, 'getijdenvergrendeling' genoemd, vergrendelt permanent een kant van de planeet in een positie die naar de ster is gericht, net zoals de maan van de aarde altijd naar de aarde is gericht, terwijl de zogenaamde 'donkere kant' uit het zicht blijft. Getijdenvergrendeling leidt tot extreme temperatuurverschillen tussen het "dagzijde" halfrond gebombardeerd door directe stellaire straling en het andere, naar buiten gerichte "nachtzijde" halfrond, dat een veel kleinere hoeveelheid straling ontvangt.
De intense straling van hun sterren veroorzaakt de extreem hoge oppervlaktetemperaturen van hete Jupiters, en de berekeningen die Hallakoun en haar collega's maakten over het gepaarde witte dwerg-bruine dwergsysteem laten zien hoe heet dingen kunnen worden. Door de helderheid van het door het systeem uitgestraalde licht te analyseren, konden ze de oppervlaktetemperatuur van de rond de aarde draaiende bruine dwerg in beide halfronden bepalen. De dagzijde, ontdekten ze, heeft een temperatuur tussen 7.250 en 9.800 Kelvin (ongeveer 7.000 en 9.500 Celsius), wat zo heet is als een A-type ster – zonachtige sterren die twee keer zo zwaar kunnen zijn als de zon – en heter dan welke bekende reuzenplaneet dan ook. De temperatuur van de nachtzijde ligt daarentegen tussen de 1.300 en 3.000 Kelvin (zo'n 1.000 en 2.700 graden Celsius), wat resulteert in een extreem temperatuurverschil van zo'n 6.000 graden tussen de twee halfronden.
Een zeldzame blik in een onontgonnen gebied
Hallakoun zegt dat het systeem dat zij en haar collega's hebben ontdekt, de mogelijkheid biedt om het effect van extreme ultraviolette straling op planetaire atmosferen te bestuderen. Dergelijke straling speelt een belangrijke rol in een verscheidenheid aan astrofysische omgevingen, van stervormingsgebieden, via oergasschijven waaruit planeten rond sterren worden gevormd, tot de atmosfeer van planeten zelf. Deze intense straling, die kan leiden tot verdamping van gas en het breken van moleculen, kan een aanzienlijke invloed hebben op de evolutie van zowel sterren als planeten. Maar dat is niet alles.
"Slechts een miljoen jaar sinds de vorming van de witte dwerg in dit systeem - een minuscule hoeveelheid tijd op astronomische schaal - hebben we een zeldzame glimp opgevangen van de begindagen van dit soort compacte binaire systemen", zegt Hallakoun. Ze voegt eraan toe dat, hoewel de evolutie van enkele sterren vrij goed bekend is, de evolutie van op elkaar inwerkende binaire systemen nog steeds slecht wordt begrepen.
"Hete Jupiters zijn de antithese van bewoonbare planeten - het zijn dramatisch onherbergzame plekken voor leven", zegt Hallakoun. "Toekomstige spectroscopische waarnemingen met hoge resolutie van dit hete Jupiter-achtige systeem - idealiter gemaakt met NASA's nieuwe James Webb Space Telescope - kunnen onthullen hoe hete, sterk bestraalde omstandigheden de atmosferische structuur beïnvloeden, iets dat ons zou kunnen helpen exoplaneten elders in het universum te begrijpen."
Deelnemers aan de studie waren ook prof. Dan Maoz van de Universiteit van Tel Aviv; Dr. Alina G. Istrate en Prof. Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit, Nederland; prof. Carles Badenes van de Universiteit van Pittsburgh; Dr. Elmé Breedt van de Universiteit van Cambridge; prof. Boris T. Gänsicke en wijlen prof. Thomas R. Marsh van de Universiteit van Warwick; prof. Saurabh W. Jha van Rutgers University; prof. Bruno Leibundgut en dr. Ferdinando Patat van de European Southern Observatory; Dr. Filippo Mannucci van het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF); en prof. Alberto Rebassa-Mansergas van de Polytechnische Universiteit van Catalonië.
Het onderzoek van Dr. Sagi Ben-Ami wordt ondersteund door de Peter en Patricia Gruber Award; de Azrieli-stichting; het André Deloro Instituut voor geavanceerd onderzoek in ruimte en optica; en het Willner Family Leadership Institute voor het Weizmann Institute of Science.
