J1407

Rond een naburige ster draait een planeet met een ringenstelsel honderd keer zo groot als dat van Saturnus. Simulaties laten zien, dat dit enorme ringenstelsel alleen stabiel kan zijn, als het 'tegendraads' is: het draait tegengesteld aan de draairichting van de planeet om de ster. Dat is waarschijnlijk het resultaat van een catastrofale botsing geweest.

J1407 was een jonge, maar onopvallende ster, ongeveer net zo groot en zwaar als de zon, en zo'n vijfhonderd lichtjaar verderop. Niets bijzonders. Maar in april 2007 gebeurde iets wat J1407 beroemd zou maken onder astronomen: de helderheid van de ster begon drastisch af te nemen. Over een periode van twee maanden flakkerde de ster heftig, met dips waarbij nog maar 5 procent van het sterlicht overbleef. Dit werd trouwens pas in 2010 opgemerkt, toen astronomen gingen zoeken in een grote database met automatisch gemaakte steropnames. 

Het is fysisch onmogelijk dat een ster zo maar aan en uit gaat, dus was van het begin af aan duidelijk dat iets het sterlicht verduisterde. In 2015 kwamen de Leidse astronomen Steven Rieder (nu werkzaam in Japan) en Matthew Kenworthy uit op de verklaring dat er een zeer grote planeet rond de ster moest draaien, die twee- à driehonderd keer zwaarder is dan Saturnus. Maar een kale planeet, hoe groot ook, geeft één keer een dipje in het sterlicht als die vanaf de aarde gezien voor zijn moederster langs schuift. 

Een ringenstelsel zoals Saturnus dat heeft, met een 'streepjespatroon' van dikke en minder dikke ringen, kan inderdaad een onregelmatige serie flakkeringen veroorzaken, zoals die was waargenomen. Maar om dat twee maanden lang te doen, waarbij de ster soms bijna geheel verduisterd wordt, moet het ringenstelsel gigantisch groot zijn, ruim honderd keer groter dan de ringen van Saturnus, en veel groter dan de ster zelf.

Kan dat wel, zo'n groot ringenstelsel?

Er kwam ook kritiek op deze verklaring. Uit de waarnemingen bleek namelijk, dat de planeet naar alle waarschijnlijkheid in 11 jaar om zijn zon draait in een elliptische baan, waarbij hij op het dichtste punt de ster nadert tot twee keer de afstand aarde-zon (2 AE). Het ringenstelsel moet dan een diameter hebben van 1,2 AE. 

Kan zoiets stabiel zijn? Een planetair ringenstelsel bestaat in feite uit talloze brokken ijs en steen die allemaal in dezelfde richting in cirkelvorminge banen rond de planeet draaien. Maar met deze proporties komt de binnenkant van het ringenstelsel twee keer dichter bij de ster dan de buitenkant, dus voelt de binnenkant vier keer zoveel zwaartekracht van de ster als de buitenkant. In principe kan dit grote verschil in zwaartekracht, elke 11 jaar wanneer de planeet dicht langs de ster scheert, de ringen verwringen en van de planeet losscheuren. 

Het zou wel heel toevallig zijn, als dit ringenstelsel maar een paar decennia geleden ontstaan is – bijvoorbeeld uit een enorme meteorietinslag op de planeet – en wij er net een telescoop op richten gedurende die paar planeetomlopen dat het blijft bestaan.

J1407 - artist impression

Een artist impression van J1407.

Tegendraadse simulatie

Om de stabiliteit van dit enorme ringenstelsel te onderzoeken, maakten Rieder en Kenworthy er een model van dat ze doorrekenden met een al bestaand systeem voor grootschalige astronomische computersimulaties, Amuse genaamd. Het basisprincipe is dat je een ster, een planeet en een groot aantal veel kleinere objecten in een virtuele ruimte plaatst, de planeet de juiste beginsnelheid geeft, de zwaartekrachtswet tussen al die objecten laat werken en dan kijkt wat er in de loop der virtuele tijd gebeurt. 

Uit deze simulaties komt een opmerkelijke tweedeling voort. Als het ringenstelsel in dezelfde richting rond de planeet draait als de planeet rond de ster, krijgen de ringen elke elf jaar een geweldige opdonder, waardoor de ringen al na een paar omlopen grotendeels uit elkaar vallen.  

Maar als het ringenstelsel tegendraads is, en tegen de draairichting van de planeet in draait, kan het zeker honderdduizend jaar blijven bestaan. De kans is dus veel groter, dat de planeet bij J1407 een tegendraads ringenstelsel heeft. Een opmerkelijk resultaat, dat zelfs de voorpagina van de New York Times haalde.

Catastrofale botsing

Tegendraadse rotatie is ongebruikelijk. Een ster en zijn planeten ontstaan uit een grote gas- en stofwolk die zich onder zijn eigen zwaartekracht samentrekt. Net als bij water in een badkuip, zit er toevallig altijd wel wat netto rotatie in zo'n  wolk. In de badkuip resulteert dat in een draaikolk boven de afvoer. De netto rotatie van de wolk komt in de ster en de planeten terecht, waardoor die allemaal dezelfde kant op draaien, en de planeten draaien ook in die richting rond de ster.

De tegendraadse rotatie van de ringen moet haast wel veroorzaakt zijn door een catastrofale botsing, bijvoorbeeld tussen twee planeten, of door een groot object van buiten dat tegen de algemene draairichting in doel trof. 

In ons zonnestelsel is de rotatie-as van Uranus meer dan 90 graden gekanteld ten opzichte van het vlak waarin de planeten rond de zon draaien. Uranus ligt als het ware op zijn kant, en helt zelfs zoveel voorover, dat zijn rotatie tegendraads is. Ook in dit geval denkt men aan een gigantische botsing als oorzaak, maar details zijn niet bekend.         

De volgende keer dat de planeet vlak langs J1407 scheert is pas in 2018, en tot die tijd valt er niet veel te zien. Maar het is de bedoeling, om dan met onder andere de Europese ALMA-telescoop in Chili de ringen zeer nauwkeurig te observeren. De verwachting is, dat de draairichting van de planeet en het ringenstelsel direct te detecteren zullen zijn.   

Steven Rieder en Matthew A. Kenworthy, Constraints on the size and dynamics of the J1407b ring system, in Astronomy & Astrophysics, oktober 2016.