Het idee van uiteenvallende en verdampende planeten werd ruim een decennium geleden voor het eerst serieus in overweging genomen. Astronomen ontdekten toen exoplaneten –planeten buiten ons zonnestelsel– met opvallende eigenschappen. Ze konden die niet verklaren met hun traditionele kennis over planeten.

Een belangrijke mijlpaal passeert in 2012, wanneer Saul Rappaport, astrofysicus aan het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT), met de Keplerruimtetelescoop een vreemd object ontdekt. Dit object, exoplaneet KIC 12557548b, staat op een afstand van 1700 lichtjaar in het sterrenbeeld Cygnus (Zwaan).

In een onregelmatig patroon beweegt de exoplaneet voor zijn ster langs; de uitdraai van de waargenomen planeetovergangen vertoont periodiek kleine dipjes. Het lijken planeetovergangen, maar die zien er anders uit. Ook blijkt de vorm van de planeet niet rond, maar asymmetrisch. Het onderzoeksteam interpreteert dit als een planeet die materiaal verliest door verdamping. De onderzoekers noemen het een ”desintegrerende planeet”.

„We hadden inderdaad de eerste uiteenvallende planeet ontdekt”, bevestigt astrofysicus Rappaport, terwijl hij via Teams de grafieken van de lichtcurves toont. Maar dat beseft het onderzoeksteam op dat moment nog niet. „In de lichtuitstraling van de ster bij de planeetovergang zagen we bij elke omloop kleine dipjes. Die lijken op een onregelmatige overgang, maar planeten doen dat nooit op die manier. Ze vertonen namelijk altijd dezelfde diepte in de grafiek. Eerst dachten we aan technische ruis van de satelliet, dus aanvankelijk negeerde ik de signalen.”

Permanente dip

Wanneer nieuwe metingen binnenkomen, blijken die dipjes permanent aanwezig. „We volgden ze een aantal maanden. Omdat ik geen deel uitmaakte van de Keplermissie nam ik contact op met Jon Jenkins bij de NASA. Die slaat de meetdata op. Ik vroeg hem of dit ruis is of echt iets is. Jon zei dat het zeker een astrofysisch effect betrof. Daarop name we de signalen ze serieus en gingen we ze analyseren.”

De wetenschappers concluderen dat de dipjes over zo’n kort tijdsinterval in de grafiek alleen kunnen duiden op stof. Rappaport: „ We analyseerden de overgangsdipjes uit de metingen die in 2010 waren gestart.”

Het artikel hierover verschijnt in het wetenschappelijke vakblad The Astrophysical Journal in juni 2012.

De tweede uiteenvallende exoplaneet, KIC 8639908b, is ontdekt in 2014 en staat op een afstand van ruim 4600 lichtjaar. De derde desintegrerende planeet luistert naar de wetenschappelijke naam K2-22b. Deze wordt ontdekt in 2015 en staat op een afstand van 800 lichtjaar van de aarde.

De laatst ontdekte verdampende exoplaneet, met de weinig poëtische naam BD+054868Ab, is kortgeleden, in oktober 2024, in de buurt van het sterrenbeeld Ram gevonden. Hierover is in januari dit jaar een uitgebreide conceptpublicatie verschenen.

Nieuws in beeld

De verdampende exoplaneet BD+054868Ab heeft een enorme stofstaart van wel 10 miljoen kilometer lang. beeld Marc Hon, MIT

De verdampende exoplaneet BD+054868Ab van opzij vanuit het platte vlak bezien. beeld Marc Hon, MIT

Groeiende stofstaart van de verdampende planeet. beeld Marc Hon

De afstanden van de vier ontdekte, desintegrerende planeten tot hun moederster. beeld Marc Hon, MIT

Deze meest recente ontdekking van een uiteenvallende exoplaneet staat op naam van de wetenschapper Marc Hon. Hij is net als Rappaport verbonden aan het wetenschapsinstituut MIT in de Verenigde Staten. Hon komt de planeet op het spoor wanneer hij de data van de TESS-ruimtetelescoop (Transiting Exoplanet Survey Satellite) van oktober 2024 analyseert.

Puinstaart

Van alle tot nu toe grofweg 5000 ontdekte exoplaneten, sinds de ontdekking van de eerste in 1992, vallen er vier met een stofstaart uiteen. De meest recent ontdekte heeft een puinstaart van 9 miljoen kilometer en zal naar schatting binnen enkele miljoenen jaren volledig zijn verdampt. Drie ervan behoren tot de groep van de zogenoemde ultrakorte periodeplaneten. Een kenmerk van deze uiteenvallende planeten is dat ze zeer dicht bij hun moederster staan.

Niet alle planeten die heel dicht bij hun moederster staan, zullen verdampen, vervolgt Rappaport. „We hebben tot nu toe ruim honderd van die ultrakorte periodeplaneten ontdekt.”

De absolute recordhouder is de KOI-1843.03 in het sterrenbeeld Lyra (Lier). Deze exoplaneet staat op een afstand van 400 lichtjaar van de aarde. Hij bevindt zich op een afstand van minder dan een miljoen kilometer van de ster en cirkelt hier in slechts 4,2 uur omheen. „Maar die valt dus niet uit elkaar.”

Datzelfde geldt voor de overige korteperiodeplaneten. Als oorzaak hiervan verwijst de astrofysicus naar de grootte van deze niet uiteenvallende exoplaneten. „Planeten kunnen alleen verdampen als ze niet veel groter zijn dan de maan of Mercurius. Anders is hun inwendige zwaartekracht te groot om uiteen te kunnen vallen.”

Kritieke grens

Het zijn planeetkenmerken zoals grootte, dichtheid, afstand tot de moederster, intensiteit van de straling en de sterkte van de zonnewind, type van de ster en ontsnappingssnelheid die bepalen of een ultrakorte periodeplaneet al dan niet begint te desintegreren.

De grens waarop dit gebeurt heet de Rochelimiet. Binnen deze limiet zijn getijdenkrachten van de ster sterker dan de zwaartekracht die de planeet bij elkaar houdt. In uitzonderlijke gevallen kunnen kleine objecten met een geringe zwaartekracht buiten deze kritieke grens door de sterke straling al beginnen uiteen te vallen.

Sommige vallen uiteen nog voordat de Rochelimiet wordt bereikt. „Daaraan worden berekeningen uitgevoerd”, zegt Rappaport. „De afstanden van de planeten tot hun ster geven echter niet altijd de informatie die je wilt hebben. Wat echt telt, zijn de straal van de moederster en de afstand tot de planeet, die vertelt hoe heet het object zal worden.”

De temperatuur van de verdampende exoplaneet die Rappaport in 2012 ontdekt, bedraagt zo’n 1700 graden Celsius en heeft een omlooptijd van 15,7 uur en staat op een afstand van vier maal de straal van de ster, wat overeenkomt met ongeveer 1,3 miljoen kilometer. Ter vergelijking: Mercurius staat op een afstand van pakweg 50 miljoen kilometer van de zon. De astrofysicus heeft de Rochelimiet berekend op anderhalf keer de straal van de ster. „Als Mercurius op een afstand van 7,5 keer de straal van de zon zou staan, dat is binnen 5 miljoen kilometer, zou die planeet ook verdampen.”

De eerst ontdekte desintegrerende planeet verliest per omloop zo’n 10 miljoen ton per omloop. „Omgerekend is dat een afname met de massa van de aarde in een miljard jaar tijd. De meest recent ontdekte uiteenvallende planeet verliest een aardmassa per 100 miljoen jaar. Dat is dus tien keer meer per omloop”, rekent Rappaport voor.

Kort leven

De KIC 12557548b heeft volgens de astrofysicus naar schatting nog 30 tot 100 miljoen jaar te leven. „De laatst ontdekte heeft nog veel minder tijd te gaan. Wanneer je een planeet vindt die nog maar zo kort te leven heeft, dan heb je echt iets heel bijzonders gevonden.”

De ontdekte desintegrerende planeten zijn eigenlijk overblijfselen van wat aanvankelijk een grotere planeet moet zijn geweest. Rappaport: „Het stof in de staart kan directe informatie onthullen over de samenstelling van de planeet. Maar niemand heeft nog een goed spectrum van de puinstaart kunnen maken. Hiertoe is onlangs wel een poging gedaan bij de staart van de derde exoplaneet K2-22b. Daarbij is gebruikgemaakt van data verzameld door de James Webb-telescoop.”

Wetenschappers werken momenteel aan een programma om dit soort zeldzame planeten op te sporen om de samenstelling van hun stofstaarten te kunnen bepalen. Marc Hon: „We kijken hier op MIT naar miljoenen meetgegevens van observaties van planeetovergangen die we elke maand verzamelen. Daaruit kiezen we enkele interessante die we met het blote oog nader bekijken. Zodoende zag ik de data van de planeet BD+054868Ab, waarvan de planeetovergangen er heel ongewoon uitzagen.”

Bij normale overgangen begint en eindigt een bepaalde dip normaal gesproken vrij abrupt. Hon: „Maar bij deze exoplaneet zagen we na een scherpe dip een heel langzame stijging. Die andere planeten laten dit patroon ook zien, maar bij deze duurde het wel heel erg lang voordat de lichtcurve weer op maximaal niveau kwam. Hieruit konden we berekenen dat de staart van het puin ongeveer 10 miljoen kilometer lang moet zijn. De andere uiteenvallende planeten hebben geen staarten die ook maar in de buurt komen van deze lengte.”

Korrelgrootte

De planeet van Hon heeft twee stofstaarten. Er is ook een kortere stofwolk die de voor de planeet uitgaat, in tegenstelling tot het stof dat de planeet volgt. „We kunnen schattingen maken over de grootte van de stofdeeltjes en welke daarvan in de langere, achterliggende en de kortere, leidende stofstaarten terechtkomen. Dat wordt bepaald door de korrelgrootte.”

Als een korrel kleiner is dan ongeveer 1 micrometer, de grootte van Saharazand, dan komt hij meestal in de voorste staart terecht. Grotere korrels van 5 tot 10 micrometer komen in de staart terecht die achter de planeet aanloopt. „Dat heeft alles te maken met het licht van de ster dat tegen de korrels aanduwt”, legt de wetenschapper uit.

Om een ​​beter beeld te krijgen van de samenstelling van het materiaal in de stofstaarten, moeten de wetenschappers transmissiespectrografie gebruiken. „Daarbij kijk je naar hoe de korrels het sterrenlicht bij verschillende golflengtes absorberen. De korrels in de stofstaart is overigens geen lang leven beschoren. Door de sterke straling zijn de meeste binnen enkele dagen volledig verdampt.”

Laatste levensfase

Hons planeet is met zijn laatste ‘levensfase’ bezig. „Op basis van wat we nu zien, verliest hij naar schatting 200 miljard ton materiaal. Dat komt overeen met één Mount Everests per omloop.” Een omloop van de BD+054868Ab neemt 1,27 aarddagen in beslag. De exoplaneet staat op een afstand van 3 miljoen kilometer van de ster. De oppervlaktetemperatuur bedraagt zo’n 1500 graden Celsius. „We vermoeden dat de planeet over enkele miljoenen jaren volledig is verdwenen.”

De diameter van de planeet is niet exact te bepalen. „Dat komt omdat we door de grote stofstaart het oppervlak van de planeet niet kunnen zien.”

Hon denkt wel dat de geschiedenis van desintegrerende planeten mogelijk terug te modelleren is. „Zelfs al heb je niet alle gegevens, dan zou je op basis van aannames een schatting kunnen maken hoe groot de planeet ongeveer geweest moet zijn toen deze begon met verdampen. Zulke planeten beginnen eerst langzaam uiteen te vallen. Naarmate de tijd verstrijkt, verliezen ze steeds sneller materiaal. Het is eigenlijk een zichzelf versnellend proces, totdat er uiteindelijk helemaal niets meer overblijft.”

Wetenschappelijk gezien heeft de ontdekking van de BD+054868Ab volgens Hon veel meer potentie dan de drie andere desintegrerende exoplaneten, die veel verder weg staan en dus veel moeilijker te volgen zijn. „De anderen zijn met de Keplertelescoop gevonden. De laatste is met de TESS-telescoop ontdekt. En omdat deze planeet met een afstand van ‘slechts’ 140 lichtjaar vijf keer dichterbij staat dan de laatst ontdekte en bovendien ook nog eens honderd keer helderder is, kan de grote stofstaart veel nauwkeuriger worden onderzocht. Als we hier de James Webb-telescoop op zouden richten, kunnen we extreem gedetailleerde data verzamelen en deze diepgaand analyseren.”

Hon vermoedt dat er in de toekomst meerdere uiteenvallende planeten ontdekt gaan worden. Zeker nu de hemel met de TESS-telescoop wordt afgespeurd. „Dat maakt de kans groter dat we vaker dit soort planeten ontdekken. Maar gezien de zeldzaamheid denk ik dat we er niet meer dan enkele tientallen zullen vinden.”