Als je een grote stapel Lego hebt, zijn er veel mogelijkheden voor wat je kunt maken. Als je maar een handvol Lego hebt, kun je misschien één creatie samenstellen voordat je opraakt. Maar naarmate je stapel kleiner en kleiner wordt, zul je op een gegeven moment niet meer genoeg Lego hebben om iets interessants te bouwen – slechts een paar stenen om ze in elkaar te zetten.
Het proces van het maken van planeten lijkt eigenlijk een beetje op het bouwen van een Lego-creatie. Nieuw onderzoek binnen Astronomisch tijdschrift het gebruik van observaties van NASA’s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) onthult een nooit eerder geziene grens waar er simpelweg niet genoeg van de juiste elementen zijn om rotsachtige planeten zoals de aarde te creëren.
Sterren en hun planeten worden gevormd uit grote wolken van gas en stof die door de ruimte zweven. Eerst stort de kern van de wolk onder invloed van de zwaartekracht ineen en vormt een centrale ster, waarna het resterende materiaal samensmelt tot planeten die rond dat centrum draaien. De belangrijkste conclusie is dat sterren en hun planeten uit hetzelfde materiaal bestaan. Dat wil zeggen: welke mix van elementen we ook in een ster zien, vertelt ons over de bouwstenen die beschikbaar zijn voor de planeten in dat systeem.
De hoeveelheid metaal (wat in astronomisch jargon iets zwaarder betekent dan waterstof en helium) in een ster staat bekend als de metalliciteit ervan. Stellaire metalliciteit is ‘een van de eerste knoppen waar we aan draaien als we allerlei simulaties van sterren, schijven en planeten doen’, zegt Jonathan Brande, een astronoom aan de Universiteit van Kansas die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek.
Metalliciteit kan ons ook vertellen hoe oud een ster is in de context van de levensduur van het universum. Zwaardere elementen ontstaan in de kernen van sterren en in de catastrofale supernova-explosies van de grootste sterren, dus het kost simpelweg tijd om deze materialen te maken. Astronomen verwachten daarom dat de eerste generaties sterren een lage metalliciteit hadden, simpelweg omdat ‘er minder zwaardere elementen werden gevormd toen ze werden geboren’, voegt Brande toe.
Zoals we in ons zonnestelsel kunnen zien, bestaan de planeten grotendeels uit andere elementen dan waterstof en helium. Bijgevolg hebben astronomen lange tijd getheoretiseerd dat een ster met een lagere metalliciteit minder planeten zou hebben, vanwege een gebrek aan de elementaire bouwstenen om ze te creëren. De waarnemingen toonden ook aan dat Jupiter-achtige planeten “een sterke correlatie hebben met metalliciteit, wat betekent dat hoe lager de metalliciteit is, hoe kleiner de kans is dat je ze vormt”, legt hoofdauteur Kiersten Boley uit, een astronoom aan de Ohio State University.
De trend van minder planeten en een lagere metalliciteit zou echter niet eeuwig kunnen voortduren. Op een gegeven moment zou je simpelweg geen kosmische Lego meer hebben om objecten ter grootte van een planeet te bouwen. Maar tot nu toe had niemand daadwerkelijk bewijs gezien van deze ‘metalen klif’, het punt waarop sterren geen planeetbouwmateriaal meer hebben.
In navolging van de logica van ‘lagere metalliciteit betekent minder planeten’ richtten eerdere telescopen voor de jacht op exoplaneten, zoals Kepler, zich specifiek op zonachtige sterren. Deze strategie was bedoeld om de kansen op het ontdekken van nieuwe planeten te vergroten. Als gevolg hiervan draaien veel bekende exoplaneten rond sterren met zeer vergelijkbare hoeveelheden metaal als onze zon.
NASA’s nieuwere exoplaneet-specifieke satelliet (en de opvolger van Kepler), TESS, volgde een ander plan. “TESS heeft het spel veranderd”, zegt Boley. Deze missie observeerde allerlei soorten sterren aan de nachtelijke hemel en liet ons zien hoe exoplaneten eruit zien in verschillende delen van de Melkweg, rond verschillende soorten sterren, en meer.
‘Kiersten gebruikte TESS om 100.000 van de meest metaalarme sterren te doorzoeken op kleine planeten’, legt Jessie Christiansen, hoofdwetenschapper van NASA’s Exoplanet Science Institute en co-auteur van het onderzoek, uit over X. ‘Als de metalliciteitstrend van Kepler en K2 Als het aantal sterren uit het verleden voortduurt met ~1/3 van de zware elementen van de zon, zouden er 68 superaardes moeten zijn gevonden.”
‘Achtenzestig,’ benadrukte Christiansen. ‘Ze heeft nul gevonden.’
Het is duidelijk dat er een grens is waar de bouwstenen eenvoudigweg opraken. ‘Net als andere soorten planeten is de vorming van superaarde ook moeilijk voor metaalarme sterren’, zegt Boley.
Omdat de eerste sterren vrijwel metaalvrij waren, is het mogelijk dat deze sterren eenvoudigweg geen planeten hadden. Planeten “begon waarschijnlijk pas zo’n 7 miljard jaar geleden te ontstaan, bijna de helft van de levensduur van het sterrenstelsel”, voegt Boley toe.
Dit heeft fascinerende implicaties voor hoe lang het leven in onze Melkweg had kunnen bestaan. “We weten dat het leven op aarde ontstond binnen een miljard jaar na zijn vorming, zo’n drie tot vier miljard jaar geleden”, zegt Brande. Gebaseerd op de nieuwe informatie van TESS betekent dit dat het leven op aarde ontstond “misschien ongeveer zo vroeg als het ooit galactische omstandigheden had kunnen veroorzaken”, voegt hij eraan toe.