De samenstelling van de planeten of planetoïden die door witte dwergsterren zijn verorberd, doen verdacht veel denken aan die van onze planeet.

Als wetenschappers vast willen stellen uit welke elementen andere hemellichamen in ons zonnestelsel zijn opgebouwd, kunnen ze er een ruimtesonde of lander op afsturen. En soms hebben ze het geluk dat brokstukken (meteorieten) afkomstig van andere hemellichamen – zoals de maan en Mars – gewoon op aarde landen. Maar hoe stel je nu vast uit welke elementen planeten buiten ons zonnestelsel – vaak op tientallen of honderden lichtjaren afstand van de aarde – zijn opgebouwd? Dat is nog niet zo eenvoudig. Maar onderzoekers hebben recent een methode bedacht en wetenschappers van de University of California Los Angeles hebben deze nu toegepast. Het resultaat? Het lijkt erop dat onze aarde verre van uniek is. “Het is zojuist veel aannemelijker geworden dat veel rotsachtige planeten op de aarde lijken en er zijn heel veel rotsachtige planeten in het universum,” aldus onderzoeker Edward Young.

Het onderzoek
De onderzoekers trekken die conclusie nadat ze nagingen welke elementen er te vinden zijn in de atmosfeer van witte dwergen (zie kader). “Wij bestuderen de geochemie in gesteenten rond andere sterren, iets wat eigenlijk ongehoord is,” aldus Young.


Witte dwerg
Wanneer een ster letterlijk is ‘opgebrand’ en de kernfusie in de kern van de ster stil komt te liggen, kan deze niet meer opboksen tegen de zwaartekracht die maar op één ding uit is: de kern samendrukken. En dus krijgt de zwaartekracht zijn zin. De kern wordt samengedrukt, waardoor de temperatuur en dichtheid oploopt. Daarbij ontstaat hitte die de laag direct rond de kern verwarmt. In die laag bevindt zich nog waterstof en onder invloed van de stijgende temperaturen kan vervolgens in deze laag kernfusie gaan plaatsvinden, waarbij waterstof wordt omgezet in helium. Terwijl de kern van de ster wordt samengedrukt, breiden de buitenste lagen ervan zich uit, waardoor de ster veel groter en helderder wordt. Het wordt een zogenoemde ‘rode reus’. Doordat de ster groeit, kan deze planeten die altijd vrij dicht om de ster heen cirkelden, opslokken. Als vervolgens ook de kernfusie in de laag direct rond de kern stilvalt, kan de ster niet anders dan materie afstoten, dat vervolgens een planetaire nevel rond de kern van de ster vormt. Die nevel trekt op en wat dan overblijft is de kern van de ster, die aangeduid wordt als een witte dwerg. Deze witte dwerg heeft een grote dichtheid en sterke zwaartekracht, waarmee deze brokstukken van planeten die in de woelige laatste levensfase van de ster vernietigd zijn, naar zich toe kan trekken. Terwijl die brokstukken de ster naderen, veranderen ze de manier waarop we de ster zien; het materiaal ‘vervuilt’ het lichtspectrum van de witte dwerg. En dat is goed nieuws, want dat betekent dat je uit afwijkingen in dat lichtspectrum kunt aflezen uit welke elementen de planeten en planetoïden die in de gloriedagen van de ster rustig om de ster heen draaiden, waren opgebouwd.

Andere elementen
De onderzoekers bestudeerden in totaal zes witte dwergen. De dichtstbijzijnde was zo’n 200 lichtjaar van ons verwijderd. De verste witte dwerg stond op zo’n 665 lichtjaar afstand. “Door deze witte dwergen en de elementen die aanwezig zijn in hun atmosfeer te bestuderen, observeren we de elementen die zich bevonden in het hemellichaam dat ooit rond de witte dwerg cirkelde,” legt onderzoeker Alexandra Doyle uit. “De sterke zwaartekracht van de witte dwerg trekt de planetoïde of het fragment van de planeet dat eromheen draait uiteen en het materiaal valt op de witte dwerg. Het observeren van een witte dwerg is te vergelijken met een autopsie waarbij we kijken naar wat de witte dwerg allemaal verorberd heeft (…) Als ik alleen naar een witte dwerg zou kijken, zou ik verwachten waterstof en helium te zien.” Maar de data – voor het grootste deel verzameld met behulp van het W. M. Keck Observatory in Hawaii – schetsen een ander beeld. “In deze gegevens zie ik ook andere materialen, zoals silicium, magnesium, koolstof en zuurstof: materiaal dat zich op de witte dwergen verzameld heeft en afkomstig is van hemellichamen die eromheen cirkelden.”

Oxidatie
De onderzoekers zochten tijdens hun studie naar de zes elementen die het vaakst in gesteenten worden aangetroffen, te weten: ijzer, zuurstof, silicium, magnesium, calcium en aluminium. Daarnaast keken ze ook naar de mate van oxidatie. Wanneer ijzer geoxideerd is, deelt het elektronen met zuurstof. “Dat noemen we oxidatie en je kunt het zien wanneer metaal roestig wordt (…) Wij maten de mate waarin ijzer in de gesteenten die de witte dwerg naar zich toe trok, geoxideerd waren.” Voor gesteenten in ons zonnestelsel geldt dat ze – ongeacht van welke rotsachtige planeet ze komen – redelijk dezelfde samenstelling hebben en verrassend veel geoxideerd ijzer herbergen. En dat is belangrijk, omdat de oxidatie van een rotsachtige planeet significante effecten heeft op de atmosfeer en kern van de planeet, maar ook van invloed is op welke gesteenten deze aan het oppervlak creëert. “Alle chemie die aan het oppervlak van de aarde plaatsvindt, is uiteindelijk te herleiden naar de mate van oxidatie van onze planeet,” stelt Young. “Het feit dat wij oceanen en alle benodigde ingrediënten voor leven hebben, is te herleiden naar de mate waarin onze planeet geoxideerd is. De gesteenten bepalen de chemie.” En wat het onderzoek nu suggereert, is dat gesteenten op rotsachtige exoplaneten helemaal niet zo verschillen van gesteenten op aarde of bijvoorbeeld Mars. “Het is altijd een mysterie geweest waarom gesteenten in ons zonnestelsel zo geoxideerd zijn,” aldus Young. “Dat zou je namelijk niet verwachten. Een vraag was of dit ook geldt voor gesteenten rond andere sterren. Onze studie stelt van wel. En dat is heel goed nieuws voor de zoektocht naar aardachtige planeten in het universum.” Collega Hilke Schlichting voegt toe: “Als buitenaardse gesteenten in dezelfde mate geoxideerd zijn als gesteenten op aarde, dan kun je concluderen dat de planeet een vergelijkbare platentektoniek en vergelijkbare potentie voor het genereren van een magnetisch veld heeft: twee belangrijke ingrediënten voor leven. Dit onderzoek (…) wijst erop dat het heel aannemelijk is dat er meer aardachtige planeten zijn.”

Eerder onderzoek
De resultaten van het onderzoek zijn in lijn met een studie die vorig jaar verscheen en waarin op vergelijkbare wijze de samenstelling van 18 verschillende planetaire systemen onder de loep werd genomen. Ook uit dat onderzoek bleek dat veel elementen die we in de aarde aantreffen zich in andere planetaire stelsels ophouden en vaak ook nog eens in dezelfde verhoudingen.


Hoewel het dus aannemelijk lijkt dat de aarde een look-a-like heeft, is het onderzoekers nog niet gelukt om deze op te sporen. De zoektocht is echter nog in volle gang. Zo wordt er momenteel met name verwachtingsvol gekeken naar de TESS-missie. Tijdens deze missie wordt specifiek gejaagd op nabije, aardachtige planeten.