Waarom 'warme Jupiters' vol zitten met zware elementen

Je zou denken dat een gasreus vooral uit gas bestaat. Logisch, de naam zegt het al. Maar sommige grote exoplaneten blijken voor een flink deel uit iets heel anders te bestaan: zware elementen zoals steen en metaal. Bij sommige exemplaren maakt dat tot wel 30 tot 40 procent van de totale massa van de planeet uit. Hoe komt daar zoveel zwaar materiaal vandaan? Een nieuw onderzoek laat zien dat het antwoord in de ontstaansgeschiedenis van de planeet zelf ligt.

Het gaat om zogeheten 'warme Jupiters'. Dat zijn gasreuzen die, anders dan onze eigen Jupiter, veel dichter bij hun ster draaien. Ze vormen zich uit een schijf van gas en stof die rond een jonge ster draait, de zogeheten protoplanetaire schijf. In die schijf zweven ook kleine stofdeeltjes, 'pebbles' genoemd (letterlijk: kiezels), die langzaam naar binnen vallen richting de ster.

Verdampende kiezels als bouwmateriaal

Onderweg naar de ster warmen die kiezels op. Daardoor verdampt het ijs dat erin zit. Waterijs verdampt dichtbij de ster, in het binnenste deel van de schijf. Andere stoffen, zoals bevroren kooldioxide, methaan en koolmonoxide, verdampen juist verder weg, in het buitengebied. Dat verdampte materiaal verrijkt het gas in de schijf met zware elementen, soms tot waarden die veel hoger liggen dan in de ster zelf.

Een groeiende gasreus die dat verrijkte gas opslokt, bouwt zo stap voor stap een flinke voorraad zware elementen op. De onderzoekers gebruikten een computermodel, chemcomp genaamd, om te simuleren hoe planeten groeien en verplaatsen in schijven rond sterren van verschillende grootte.

Locatie, locatie, locatie

De belangrijkste uitkomst: waar een planeet ontstaat, maakt een enorm verschil. Planeten die binnen de 'waterijslijn' ontstaan of daarheen migreren, dus dichter bij de ster dan de plek waar waterijs verdampt, nemen veel meer zware elementen op dan planeten die verder weg in de schijf blijven.

Ook de grootte van de schijf telt mee. Grotere schijven houden langer een hoge stroom aan kiezels in stand, waardoor planeten die erin groeien meer tijd hebben om zware elementen te verzamelen. Sterren met meer metalen in hun samenstelling leveren extra verrijkte planeten op, maar alleen als die planeten in het binnengebied van de schijf ontstaan. In het buitengebied maakt de metaalrijkdom van de ster nauwelijks verschil. Opvallend genoeg speelt de massa van de ster zelf maar een kleine rol: zwaardere sterren leveren slechts iets rijkere planeten op dan lichtere sterren, bij een vergelijkbare schijf.

Samen verklaart dit volgens de onderzoekers waarom zwaardere gasreuzen gemiddeld ook meer zware elementen bevatten. Het is een combinatie van de schijfgrootte en waar de planeet precies is ontstaan, binnen of buiten de ijslijn.

Bron: The origin of the large heavy element contents of warm Jupiters