„Toen we al onze gegevens combineerden, wisten we uiteindelijk de omlooptijd en massa te bepalen”, verklaart professor Gracjan Maciejewski van de universiteit desgevraagd. De exoplaneet (planeet buiten ons zonnestelsel) die een slordige elf keer zwaarder is dan de Jupiter, wordt ook wel een super-Jupiter genoemd.

De super-Jupiter heeft de wetenschappelijke naam HD118203c (Liesma-c) gekregen. Hij draait om ster HD118203 in het sterrenbeeld Grote Beer. De ster, ook wel Liesma (Lets voor ”vlam”) genoemd, is twee keer zo groot als de zon. De afstand tot de aarde is zo’n 300 lichtjaar; met een auto die continu 100 kilometer per uur rijdt, kost het 3,2 miljard jaar om deze afstand af te leggen.

De ontdekking van planeet Liesma-c stoot gasreus ROXs42Bb van zijn troon als grootste exoplaneet. De ROXs42Bb staat in het sterrenbeeld Slangendrager op een afstand van 440 lichtjaar. Deze in 2013 gevonden supergasreus was al negen keer massiever met een radius van 2,5 keer de planeet Jupiter in ons zonnestelsel.

Letter b en c

HD118203c is overigens niet de eerstgevonden planeet om ster Liesma. „In 2006 zag een Zwitsers team al een planeet met de naam HD118203b met een massa van twee keer Jupiter, die zeer dicht om de ster heen cirkelt”, bekent Maciejewski. „Het was voor ons de aanleiding dit systeem te gaan volgen.” De eerst ontdekte planeet om deze ster is net als de super-Jupiter ook een gasreus.

De reden dat de allereerste exoplaneet om een ster niet de letter ‘a’ krijgt in de astronomische Henry Draper-catalogus, heeft te maken met dubbelsterren. „Deze letter is voor een eventuele tweede ster in het systeem gereserveerd. De eerstgevonden exoplaneet krijgt daarom de wetenschappelijke naam van de ster plus de kleine letter ‘b’.”

Wat de diameter van de kersverse super-Jupiter is, blijft gissen. Maciejewski: „Omdat we geen directe observaties van de planeet hebben en deze bovendien erg ver van de ster staat, kunnen we over de omvang slechts schattingen doen.”

„Omdat we geen directe observaties van de planeet hebben, kunnen we over de omvang slechts schattingen doen” - Gracjan Maciejewski, hoogleraar astronomie Nicolaas Copernicus-universiteit Torun

Gasreus Liesma-c staat op een afstand van 900 miljoen kilometer van zijn centrale ster. Onze eigen Jupiter met een diameter van bijna 70.000 kilometer staat op een gemiddelde afstand van 778 miljoen kilometer van de zon. De omlooptijd van de grootste exoplaneet zou iets van veertien jaar bedragen.

„Naar schatting is de gasreus slechts twee keer de diameter van Jupiter”, aldus de Poolse professor. Die schattingen zijn volgens hem gebaseerd op theoretische modellen van andere massieve exoplaneten. Dit betekent dat Liesma-c erg compact moet zijn. „En er zijn ook exoplaneten bekend met dezelfde massa als Jupiter, maar die weer twee keer zo groot zijn.”

Zware stormen

De omvang van gasplaneten is overigens niet alleen afhankelijk van de fysische eigenschappen, maar ook van de chemische samenstelling en de energie die ze van hun ster ontvangen. Naar de chemische samenstelling en opbouw van de atmosfeer kunnen de Poolse astronomen alleen maar gissen. Van de atmosfeer van Jupiter is bekend dat 90 procent ervan uit waterstof bestaat en 10 procent uit helium met sporen van methaangas, en dat er zware stormen woeden.

Maciejewski: „De super-Jupiter heeft mogelijk net als de eerst ontdekte planeet om deze ster een rotsachtige kern, net zoals onze eigen Jupiter vermoedelijk een rotsachtige buitenkern bezit. Jupiter bestaat naar schatting voor 95 procent uit gassen. Wat de verhouding gas en vaste kern bij de exoplaneten is, weet niemand.”

De temperatuur in de bovenlaag van de atmosfeer wordt geschat op -130 graden Celsius. „Dat is iets lager dan de temperatuur op Jupiter”, zegt Maciejewski. De temperatuur in de atmosfeer van Jupiter bedraagt zo’n -110 graden. De oorzaak van de vermoedelijk iets lagere temperatuur van de super-Jupiter is de grotere afstand tot de ster. „Maar omdat deze gigant op zijn beurt weer een stuk groter is dan onze eigen Jupiter, is de hittecapaciteit die het vanuit zijn binnenste genereert een stuk groter. Het zal me dan ook niets verbazen wanneer bekend wordt dat de daadwerkelijke temperatuur ergens tussen de -90 en -80 graden Celsius ligt.”

De geschatte temperatuur van HD118203b is zo’n 1000 graden, omdat deze planeet op amper 10 miljoen kilometer om de ster cirkelt. „De baan van deze zogeheten ”hete Jupiter” staat een factor vijf dichter bij de ster dan dat Mercurius van de zon afstaat”, weet Maciejewski.

De Poolse hoogleraar vermoedt dat beide gasreuzen elkaars banen om de ster door hun aantrekkingskracht  hebben verstoord. Het gevolg is dat de binnenste planeet een zeer elliptische baan kreeg en uiteindelijk in een zogeheten ”tidal circularisation” om de ster terecht is gekomen. De planeet cirkelt dan rakelings met hoge snelheid om de ster. HD118203b doet daar slechts zes dagen over.

Omvang Liesma-b

In tegenstelling tot de supergrote-Jupiter (Liesma-c) kan bij de superhete-Jupiter (Liesma-b) wel de omvang exact worden bepaald. „Omdat de hete Jupiter zo dicht en ook zo snel om de ster heencirkelt, kunnen we niet alleen de massa, maar dus ook de grootte ervan bepalen. Het is namelijk een zogeheten transitieplaneet. Wanneer deze planeet voor zijn ster langs beweegt, zien we dat die het sterrenlicht eventjes blokkeert. Aan de hand van het tegengehouden licht kunnen we de omvang van de planeet afleiden”, legt Maciejewski uit.

Met deze methode is berekend dat de omvang van de hete Jupiter 1,1 à 1,2 keer die van Jupiter bedraagt. „Hoewel de massa van deze gasreus twee keer die van onze eigen Jupiter bedraagt, is de omvang ervan slechts een fractie groter. Zo’n 10 tot 20 procent.’

Versnelling

Uit de ontdekking van de hete Jupiter door het Zwitserse wetenschapsteam in 2006 en de snelheid van deze exoplaneet om de ster bestond het vermoeden al dat er een nog veel grotere ‘Jupiter’ aanwezig moest zijn. „Dat leidden we af uit de orbitale beweging van de hete Jupiter en de overgang van de planeet over de ster, waaruit bleek dat de ster versneld van ons af beweegt.”

Om de oorzaak van de versnelling te achterhalen besloot het Poolse wetenschapsteam het systeem te observeren. „Nadat we de ster met de hete Jupiter acht jaar hebben gevolgd, zagen we dat de richting van de beweging veranderde. Dit was voor ons het teken dat er sprake kon zijn van een periodiek signaal. Aan de hand van berekeningen kwamen we erachter dat dit aan een enorme, bewegende massa moest liggen.”

De vermoede bewegende massa moest dus van de super-Jupiter zijn. Ze wisten echter nog niet exact hoe lang die planeet zou doen over een rondje om zijn ster. „In 2014 besloten we nog eens een paar jaar te wachten. Afgelopen jaar hadden we geluk met de waarneming van alweer een verandering in de beweegrichting van de gezochte planeet. Door de data te combineren, bepaalden we de omlooptijd van de super-Jupiter. We waren ook in staat daarmee de minimale massa te bepalen. Die kwam dus in de buurt van elf keer de massa van Jupiter.”  Zo wist het Poolse team de tot nu toe meest massieve exoplaneet te vinden.

„Had de omlooptijd van super-Jupiter Liesma-c iets langer geduurd, in de buurt van de 20 jaar, dan zou de metgezel best wel eens een kleine ster geweest kunnen zijn”, aldus Maciejewski. „Want dan zou de massa ervan ook groter geweest kunnen zijn.”

Bruine dwerg

De super-Jupiter met een massa van elf keer de planeet Jupiter komt namelijk in de buurt van de magische grens van dertien Jupitermassa’s, de grens waarop een supergrote planeet overgaat in een bruine dwerg. Die worden ook wel ”mislukte sterren” genoemd. Deze hebben een massa tussen de dertien en tachtig keer de massa van Jupiter.

„Bruine dwergen worden ook wel ”mislukte sterren” genoemd” - Gracjan Maciejewski, hoogleraar astronomie Nicolaas Copernicus-universiteit Torun

Bruine dwergen zitten qua eigenschappen tussen gasreuzen en sterren in. Ze bezitten net te weinig massa om kernfusiereactie te laten plaatsvinden. Die reactie is nodig om voldoende warmte en licht te produceren, zoals echte sterren doen. „Met de vondst van dit grensgeval zijn we dan ook erg blij.”