Astronomen melden vandaag de ontdekking van een planetenstelsel dat ver uit het lood staat, waarbij de banen van twee planeten onder een steile hoek ten opzichte van elkaar staan. Deze verrassende ontdekking zal van invloed zijn op theorieën over hoe multi-planetensystemen evolueren, en laat zien dat sommige gewelddadige gebeurtenissen de banen van planeten kunnen verstoren nadat een planetenstelsel is gevormd, aldus onderzoekers.
“De bevindingen betekenen dat toekomstige studies van exoplanetaire systemen gecompliceerder zullen zijn. Astronomen kunnen er niet langer van uitgaan dat alle planeten in één vlak om hun moederster draaien,” zegt Barbara McArthur van het McDonald Observatory van de Universiteit van Texas in Austin. McArthur en haar team gebruikten gegevens van de Hubble Space Telescope, de gigantische Hobby-Eberly Telescope en andere telescopen op de grond, gecombineerd met uitgebreide modellen om een stortvloed aan informatie op te graven over het planetenstelsel rond de nabije ster Upsilon Andromedae.Al iets meer dan een decennium weten astronomen dat drie Jupiter-type planeten rond de geel-witte ster Upsilon Andromedae draaien. Upsilon Andromedae lijkt qua eigenschappen op onze Zon, maar staat ongeveer 44 lichtjaar van ons vandaan. Het is iets jonger, massiever en helderder dan de zon. Door het combineren van fundamenteel verschillende, maar elkaar aanvullende, soorten gegevens van de Hubble- en aardse telescopen, heeft het team van McArthur de exacte massa’s van twee van de drie bekende planeten bepaald, Upsilon Andromedae c en d. Veel opzienbarender is echter hun ontdekking dat niet alle planeten in hetzelfde vlak om deze ster draaien. De banen van de planeten c en d staan 30 graden scheef ten opzichte van elkaar. Dit onderzoek is de eerste keer dat de “onderlinge inclinatie” is gemeten van twee planeten die om een andere ster draaien. En het team heeft aanwijzingen ontdekt dat een vierde planeet, e, veel verder weg om de ster draait.
“Hoogstwaarschijnlijk heeft Upsilon Andromedae hetzelfde vormingsproces gehad als ons eigen zonnestelsel, hoewel er verschillen kunnen zijn geweest in de lateformatie die deze afwijkende evolutie in gang hebben gezet,” zei McArthur. “Tot nu toe was het uitgangspunt bij de evolutie van planeten dat planetenstelsels zich in de schijf vormen en relatief vlak blijven, zoals ons eigen stelsel, maar nu hebben we een significante hoek tussen deze planeten gemeten die aangeeft dat dit niet altijd het geval is.”
Tot nu toe was de conventionele wijsheid dat een grote gaswolk naar beneden stort om een ster te vormen, en planeten zijn een natuurlijk bijproduct van het overgebleven materiaal dat een schijf vormt. In ons zonnestelsel zijn er sporen van dat ontstaan, want alle acht grote planeten draaien in bijna hetzelfde vlak. De buitenste dwergplaneten, zoals Pluto, hebben schuine banen, maar die zijn veranderd door de zwaartekracht van Neptunus en zijn niet diep in het zwaartekrachtsveld van de zon ingebed.
Verschillende zwaartekrachtscenario’s kunnen verantwoordelijk zijn voor de verrassend schuine banen in Upsilon Andromedae. “Mogelijkheden zijn interacties die ontstaan door de inwaartse migratie van planeten, het uitwerpen van andere planeten uit het systeem door planeet-planetverstrooiing, of verstoring door de tweevoudige begeleiderster van de moederster, Upsilon Andromedae B,” zei McArthur.
Barnes, een expert in de dynamica van buitenaardse planetenstelsels, voegde daaraan toe: “Onze dynamische analyse laat zien dat de schuine banen waarschijnlijk het gevolg zijn van het uitwerpen van een oorspronkelijk lid van het planetenstelsel. We weten echter niet of de verre stellaire metgezel die uitwerping heeft geforceerd, of dat het planetenstelsel zelf zo is gevormd dat sommige oorspronkelijke planeten zijn uitgeworpen. De planeten trekken zo sterk aan elkaar dat ze elkaar bijna uit het systeem kunnen werpen.”
De twee verschillende soorten gegevens die in dit onderzoek werden gecombineerd, waren astrometrie van de Hubble-ruimtetelescoop en radiale snelheid van telescopen op de grond.
Astrometrie is het meten van de posities en bewegingen van hemellichamen. De groep van McArthur gebruikte voor deze taak een van de fijne geleidingssensoren (FGS’en) van de Hubble-telescoop. De FGS’s zijn zo nauwkeurig dat ze de breedte van een kwartje in Denver kunnen meten vanaf het uitkijkpunt van Miami. Het was deze precisie die werd gebruikt om de beweging van de ster aan de hemel, veroorzaakt door zijn omringende – en ongeziene – planeten, te traceren.
Radiale snelheid doet metingen van de beweging van de ster aan de hemel in de richting van en van de aarde af. Deze metingen zijn gedurende een periode van 14 jaar verricht met behulp van telescopen op de grond, waaronder twee in het McDonaldObservatorium en andere in de observatoria van Lick, Haute-Provence en Whipple. De radiale snelheid biedt een lange basislijn voor de waarnemingen van de omloopbaan, waardoor de kortere, maar nauwkeurigere en completere Hubble-waarnemingen de baanbewegingen beter konden bepalen.
Het feit dat het team de baanneigingen van planeten cand had bepaald, stelde hen in staat de exacte massa’s van de twee planeten te berekenen. Die nieuwe informatie vertelde ons dat onze mening over welke planeet zwaarder is, moet worden bijgesteld. Eerdere studies van de radiale snelheid gaven minimummassa’s voor de planeten van 2 Jupiters voor planeet c en van 4 Jupiters voor planeet d. De nieuwe, exacte massa’s, gevonden door astrometrie zijn 14 Jupiters voor planeet c en 10 Jupiters voor planeet d.
“De Hubble-gegevens laten zien dat radiale snelheid niet het hele verhaal is,” zei Benedict. “Het feit dat de planeten in massa omdraaiden was echt schattig.”
De 14 jaar radiale snelheidsinformatie die door het team werd verzameld, bracht hints aan het licht dat er een vierde planeet met een lange periode rond de aarde kan draaien, naast de drie die nu bekend zijn. Er zijn alleen aanwijzingen over die planeet, omdat hij zo ver weg staat dat het signaal dat hij afgeeft nog niet de kromming van een baan laat zien. Een ander ontbrekend stukje van de puzzel is de helling van de binnenste planeet, b, waarvoor astrometrische precisie nodig is die 1000 keer groter is dan die van de Hubble, een doel dat haalbaar is met een ruimtemissie die geoptimaliseerd is voor interferometrie.
De Hubble-gegevens van het team hebben ook bevestigd dat Upsilon Andromedae een dubbelster is. De begeleidende ster is een rode dwerg die minder massief en veel zwakker is dan de zon. “We hebben geen idee wat zijn omloopbaan is,” zei Benedict. “Het kan heel excentrisch zijn. Misschien komt hij af en toe heel dichtbij. Het kan 10.000 jaar duren.” Zo’n korte passage door de tweede ster zou de banen van de planeten kunnen verstoren.