12 december 2017

Aarde-achtige exomanen in stabiele omloopbanen

Pandora

Een aarde-achtige maan in omloop rond een gasreus

Het is vandaag komkommerdag! Na een drukke week vol nieuws, is het vandaag (lekker ?) rustig. Geen nieuws! Maar op AstroBlogs is een dag zonder verse artikelen een dag niet geleefd, dus ik ben zelf maar in de pen gekropen. Vandaag: aarde-achtige exomanen in de leefbare zone.

De laatste jaren worden steeds meer gasreuzen ontdekt die in de leefbare zone van hun moederster draaien. Dit biedt perspectieven voor potentieel leefbare exomanen. Stel dat je Jupiter zou kunnen oppakken en op de plaats van de aarde zou zetten (wat uiteraard rampzalig zou kunnen zijn voor de aarde, maar dat even terzijde). Wat zou er dan gebeuren met de manen van Jupiter? Wel, Europa zou bijvoorbeeld veranderen in een ijsvrije waterwereld. Toch zouden geen van de manen werkelijk aarde-achtig zijn – “leefbaar” en “aarde-achtig” hoeven niet synoniem te zijn aan elkaar. Goed, als we Jupiter laten voor wat hij is, en gaan kijken naar Jupitermassa-exoplaneten in de leefbare zone – hoe groot is dan de kans om een aarde-achtige exomaan te vinden?

Om hier antwoord op te geven, moeten we eerst antwoord geven op een aantal vragen. Ten eerste: wanneer is een exo-maan aarde-achtig? Dat is wanneer een wereld zowel land als oceanen heeft. Dat is althans mijn definitie, ik ga niet beweren dat hier een officiele definitie voor bestaat. Ten tweede: hoe ontstaan grote manen rond reuzenplaneten? Hier zijn twee manieren voor: ten eerste kunnen manen ontstaan uit de stofschijven waar jonge gasplaneten mee omringd worden, als een soort mini-zonnestelsel. Ten tweede kunnen manen ingevangen worden – dit gebeurt vooral met kleine, onregelmatige manen, maar kan ook met grotere objecten gebeuren. De maan Triton van Neptunus is hier een goed voorbeeld van.

Nu kunnen gasplaneten in de leefbare zone niet op hun huidige positie ontstaan zijn. De huidige modellen van planeetvorming stellen dat Jupiter- of Neptunusachtige planeten voorbij de vorstlijn moeten ontstaan, de grens waarop “ijzen” (zoals water of methaan) in stabiele vorm kunnen bestaan tijdens de fase van planeetvorming. Vervolgens kunnen deze planeten door interacties met de stofschijf rond de moederster (de circumstellaire of protoplanetaire schijf) naar binnen gaan migreren en “geparkeerd” worden in de leefbare zone. Hoe dit precies in zijn werk gaat is niet bekend: waarom parkeren sommige planeten in de leefbare zone, terwijl anderen vlak bij hun moederster terecht komen (en zo veranderen in een Hete Jupiter)? Maar goed, de details van planetaire migratie vallen buiten het kader van dit artikel.

frostline

Dit heeft gevolgen voor manen die rond deze planeten draaien. Als exomanen ontstaan zijn rond een Jupiter voorbij de vorstlijn, dan bestaan deze manen dus voor een groot deel uit ijs. Drie van de vier grote manen van Jupiter bestaan bijvoorbeeld voor ongeveer 50 procent uit ijs en voor 50 procent uit rotsen (Io is een uitzondering, maar deze is waarschijnlijk secundair ijsloos, m.a.w. heeft zijn ijs weer verloren). Als Jupiter aan de wandel zou gaan en in de leefbare zone terecht zou komen, dan smelten de ijskorsten van de manen en veranderen deze van ijsmanen in oceaanmanen: een rotsachtige kern omringd door een mantel van verschillende exotische vormen van ijs, omringd door een wereldomvattende, diepe oceaan. Conclusie: de kans is klein dat exomanen die tegelijk met hun moederplaneet gevormd zijn, en in de leefbare zone terecht zijn komen, werkelijk aarde-achtig zijn. Ze kunnen wemelen van het leven, maar lijken niet op de aarde.

Blijft de tweede methode over: invangen. Stel dat een gasplaneet richting de leefbare zone migreert, wat gebeurt er dan met aardemassa planeten die “in de weg staan”? Je zou zeggen dat dit rampzalig moet zijn voor zo’n “aarde”: die komt in zijn moederster terecht, of wordt uit zijn stelsel geschoten. Toch? Een team van astronomen, onder leiding van Simon Porter van het Lowell Observatory, heeft een serie uitgebreide computermodellen gedraaid en zijn tot een opmerkelijke conclusie gekomen: in 15% van de gevallen blijkt zo’n aarde te worden ingevangen door de migrerende Jupiter! (Het volledige onderzoek is hier te lezen).

aarde-achtige exomaan

Uiteraard komt zo’n aarde dan in een zeer excentrische en wijde omloopbaan terecht, die weinig hoop biedt op een stabiel klimaat. Getijdenkrachten doen zo’n omloopbaan echter vervallen (krimpen), waardoor een ingevangen aarde langzaam in een stabiele omloopbaan terecht komt. Simulaties hebben uitgewezen dat een excentrische aardmassa exomaan binnen 5 tot 10 miljoen jaar in een stabiele, relatief nauwe omloopbaan rond de Jupiter terecht komt. Een omloopbaan dat perpectief biedt voor een stabiel en goed ontwikkeld ecosysteem.

Conclusie: hoewel aardemassa manen die gevormd zijn rond een gasreus vermoedelijk niet erg aarde-achtig zijn, kan een aarde-achtige planeet worden ingevangen door een migrerende gasreus en in een stabiele omloopbaan terecht komen. De kans is dus groot dat we ooit een wereld gaan aantreffen zoals de aarde-achtige maan Pandora uit de film Avatar, die z’n rondjes draait rond de gasreus Polyphemus.

Laat wat van je horen

*