Nieuwe studie onthult: waarom verschilt de dichtheid van sub-Neptunussen?

AmsterdamVeel sterren in onze melkweg hebben planeten die om hen heen draaien. De meest voorkomende planeten worden sub-Neptunes genoemd en zijn qua grootte tussen de aarde en Neptunus in. Het is lastig om hun dichtheid te bepalen. Wetenschappers gebruiken twee methoden om hun massa te meten: de TTV (Transit-Timing Variation) methode en de radiale snelheidsmethode. Ze hebben opgemerkt dat deze methoden verschillende resultaten voor dichtheid opleveren.

Onderzoekers van NCCR PlanetS, de Universiteit van Genève en de Universiteit van Bern hebben een studie uitgevoerd, waarvan de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.

Hier volgt een overzicht van hun belangrijkste bevindingen:

Onderzoek toont aan dat er twee soorten sub-Neptunusplaneten zijn: dichte en minder dichte. Bij het meten van hun dichtheid geven Transit Timing Variations (TTV) vaak lagere dichtheidswaarden dan de radiële snelheidsmethode. Bovendien worden systemen die gemeten zijn met TTV regelmatig aangetroffen in orbitale resonantie.

Exoplaneten die qua grootte tussen de aarde (ongeveer 6.400 km in straal) en Neptunus (ongeveer 25.000 km in straal) liggen, worden sub-Neptunussen genoemd. Ongeveer 30% tot 50% van de sterren die vergelijkbaar zijn met onze zon hebben minstens één sub-Neptunus. Om hun dichtheid te bepalen, meten wetenschappers hun massa en grootte. Een methode, genaamd TTV, houdt veranderingen bij in de tijd dat planeten voor hun ster langs bewegen vanwege zwaartekrachtsaantrekkingen van andere planeten. Een andere methode, genaamd radiale snelheid, meet veranderingen in de snelheid van de ster veroorzaakt door rondcirkelende planeten.

Een team van wetenschappers van NCCR PlanetS, UNIGE en UNIBE onderzocht dit probleem en ontdekte dat het verschil door fysieke oorzaken komt, niet door vooroordelen. Ze ontdekten dat systemen gemeten met de TTV-methode vaak planeten in resonantie hebben, wat betekent dat de verhouding van hun omloopperioden een eenvoudige breuk is. Bijvoorbeeld, de ene planeet draait twee keer om de ster terwijl een andere één keer draait. Meerdere resonante planeten kunnen een patroon vormen dat Laplace-resonanties wordt genoemd.

Lees ook:

Vandaag · 01:33

Betovering door geluid: magie voor blinden mogelijk?

Adrien Leleu, mede-auteur van de studie, suggereerde dat er wellicht een verband bestaat tussen de dichtheid van een planeet en zijn baanpatronen. Om dit te bevestigen, moesten wetenschappers vooringenomenheid in hun data vermijden. Grotere, lichtere planeten worden namelijk later gedetecteerd met radiale snelheidsmethoden, wat betekent dat dergelijke planeten over het hoofd gezien kunnen worden en dus niet worden geanalyseerd omdat hun massa onbekend is. Hierdoor kan het onderzoek een voorkeur tonen voor het opsporen van planeten met een hogere massa en dichtheid via radiale snelheids technieken.

Nadat de gegevens waren schoongemaakt, voerden wetenschappers statistische tests uit. Ze ontdekten dat sub-Neptunussen in systemen met orbitale resonanties een lagere dichtheid hebben dan die in systemen zonder orbitale resonanties, ongeacht hoe hun massa wordt gemeten.

De studie geeft verschillende redenen voor deze link. Een belangrijke theorie gaat over de vorming van planetenstelsels. Aanvankelijk kunnen alle systemen ontstaan met aan elkaar gekoppelde banen van planeten. Echter, slechts 5% blijft stabiel over de tijd. De rest wordt instabiel, wat leidt tot botsingen tussen planeten. Door deze botsingen versmelten de planeten en worden ze dichter. Na het versmelten krijgen de planeten nieuwe, niet-gekoppelde banen.

Yann Alibert van UNIBE verklaarde dat computermodellen van planeetvorming en -evolutie aantonen dat planeten in resonantie vaak minder dicht zijn. De studie wijst ook uit dat de meeste planetenstelsels grote botsingen hebben doorgemaakt, vergelijkbaar met de botsing die onze Maan vormde, maar vaak nog heviger.

De onderzoek toont aan waarom sub-Neptunussen verschillende dichtheden hebben. Deze nieuwe gegevens vergroten ons begrip van de vorming en evolutie van planetaire stelsels.