Waarom sommige exoplaneten krimpen tijdens het afkoelen

Planeten lijken op het eerste gezicht star en onveranderlijk. Maar volgens een nieuw computermodel maken zogeheten super-aardes, planeten die groter zijn dan de aarde maar kleiner dan Neptunus, een flinke krimp door terwijl ze afkoelen. Hun binnenkant kan tot ongeveer 10% kleiner worden dan toen de planeet nog gloeiend heet en vloeibaar was.

Super-aardes zijn de meest voorkomende planeten die we tot nu toe buiten ons zonnestelsel hebben gevonden. Toch weten we eigenlijk vrij weinig over wat er in hun binnenste gebeurt. Astronomen kunnen alleen de massa en de grootte van deze planeten meten, en daaruit de gemiddelde dichtheid berekenen. Maar dezelfde dichtheid kan passen bij heel verschillende binnenkanten: een planeet met veel gesteente en weinig lucht, of eentje met minder gesteente en een dikke damplaag eromheen. Dat maakt het moeilijk om te zeggen wat voor planeet je precies ziet.

Onderzoekers gebruikten voor dit werk een model genaamd PROTEUS, dat de hele levensloop van een planeet nabootst: van een gloeiend hete bol vloeibaar gesteente, een zogeheten magma-oceaan, tot een afgekoelde, vaste planeet. Eerdere modellen keken vooral naar de eindsituatie: de koude, harde planeet zoals we die nu zouden waarnemen. Dit nieuwe model volgt juist het hele proces ertussen.

De uitkomst is opvallend. Bij planeten met weinig vluchtige stoffen (denk aan water en gassen) krimpt de gesteentelaag door afkoeling en verharding met ongeveer 10% van zijn oorspronkelijke, gesmolten omvang. Dat gebeurt bij planeten van 1 tot 10 keer de massa van de aarde, en het maakt eigenlijk niet veel uit hoe zwaar de planeet precies is. De uiteindelijke grootte van de vaste planeet hangt vooral af van de massa en hoeveel van die massa in de metalen kern zit, niet van de ster waar de planeet omheen draait of hoe warm hij ooit begon.

Bij planeten die wél veel vluchtige stoffen bevatten, met een massa vanaf ongeveer 5 keer die van de aarde, gebeurt er iets anders. Deze planeten hebben een dikke, uitgestoten atmosfeer die de warmte binnenhoudt, als een deken. Daardoor koelt de binnenkant veel langzamer af en kan hij zelfs blijven steken in een permanente magma-oceaan die niet meer verhardt. Deze planeten blijven daardoor als het ware "opgeblazen" en krimpen maar half zo veel als hun droge tegenhangers.

Toch is dit voor astronomen belangrijk nieuws. Aankomende ruimtetelescopen gaan de komende jaren de atmosferen van veel super-aardes onderzoeken. Als je niet weet dat een planeet flink gekrompen kan zijn tijdens zijn geschiedenis, interpreteer je metingen van zijn grootte en dichtheid misschien verkeerd. Dit onderzoek laat zien dat je de lucht van een planeet en zijn binnenkant eigenlijk altijd samen moet bekijken om een goed beeld te krijgen van wat voor wereld je nou eigenlijk ziet.

Bron: Super-Earth Interiors Shrink by About 10% as They Crystallise