De ontdekking is de eerste in zijn soort van een planetaire botsing die is waargenomen met de Gaia-ruimtetelescoop. Daarom heet hij Gaia-GIC-1: Giant Impact Candidate nummer 1, gedaan met de Gaia-ruimtetelescoop. „We hopen een hele serie van dergelijke botsingen in de Gaia-data te ontdekken’, zegt ontdekker Anastasios (Andy) Tzanidakis.
De van oorsprong uit Kreta afkomstige promovendus moet midden in de afronding van zijn onderzoek de internationale pers te woord staan. Die is massaal op zijn artikel over de kosmische toevalstreffer gedoken. Het is niet de eerste planeetbotsing die ooit is waargenomen, maar wel een unicum dat dit kosmische drama live is geregistreerd. De historische crash zat verscholen in telescoopgegevens uit 2020 en werd daarom pas later ontdekt.
Tzanidakis doet zijn onderzoek aan de Universiteit van Washington in Seattle (VS). „Het gaat over de vreemdsoortigste sterren in de Melkweg. De data zijn afkomstig van telescopen van over de hele wereld. Ik ben vooral geïnteresseerd in stofwolken om sterren. Het blijkt dat het ruimtestof een heel scala van ingewikkelde invloeden op sterren heeft en vreemde verschijnselen veroorzaakt. Ik verdiep me hierin, want er is nog weinig over bekend in de wetenschappelijke literatuur.”
„Ik wil graag vreemde dingen ontdekken.”
Anastasios Tzanidakis, promovendus Universiteit van Washington
Vreemde dingen
De Gaia-ruimtetelescoop is in 2013 gelanceerd. Inmiddels heeft ze de meest gedetailleerde kaart van onze Melkweg gemaakt, met 1,7 miljard sterren. „Telkens wanneer Gaia om de zoveel tijd hetzelfde stukje hemel scant, meet ze ook de helderheid van de sterren. Bij grote afwijkingen gaat er automatisch een alert naar de dataservice van de ruimtevaartorganisatie ESA. Vanaf het begin van mijn promotieonderzoek bekijk ik deze alerts. Ik wil graag vreemde dingen ontdekken.”
Zo’n alert kwam ook binnen in 2020, toen Gaia een afwijking constateerde. Zodoende viel ons oog op een ster die de wetenschappelijke naam Gaia20ehk heeft gekregen. „Het getal 20 is het jaar waarin de ontdekking is gedaan, waarbij er sprake is van een zogeheten alert. De drie letters staan voor de volgorde van die alerts die dat jaar door Gaia zijn verzonden”, legt Tzanidakis uit. De ster Gaia20ehk waarbij de botsing plaatsvond, lijkt op onze zon. De diameter is 1,7 keer groter.
Telkens wanneer de Gaia-ruimtetelescoop om de zoveel tijd hetzelfde stukje hemel scant, meet ze ook de helderheid van de sterren. Locatie van ster Gaia20ehk op de kaart van het heelal. beeld GAIA
De helderheid van deze ster bleek ineens permanent veranderd. „Vervolgens heb ik een observatorium gevraagd een spectrum van de ster te maken. Hierin zagen we vanaf ongeveer 2016 een aantal vreemde dipjes in de helderheid in een vast patroon van 380 dagen.”
Tollende planeten
Volgens de promovendus worden deze dipjes veroorzaakt door enkele lichte botsingen waarbij de planeten om elkaar tollen om vervolgens, in 2020, definitief te crashen. De botsende planeten veroorzaakten een enorme stofwolk. Deze trekt momenteel in een baan om ster Gaia20ehk.
„Uit de geometrie van de lichtdipjes hebben we kunnen afleiden dat de afstand van de stofwolk op zo’n 150 miljoen kilometer afstand van de ster staat. Vanwege die afstand – die overeenkomst met de afstand van de aarde tot de zon – kan er geen sprake zijn van een zogeheten desintegrerende planeet. Daarbij wordt een planeet door de zwaartekracht volledig uit elkaar getrokken, omdat deze te dicht bij de ster komt. Het materiaal dat om Gaia20ehk draait, gaat hier niet snel genoeg voor.”
„Een botsing tussen twee planeten is de beste verklaring die we hebben”
Anastasios Tzanidakis, promovendus Universiteit van Washington
De temperatuur van het stof bedraagt 627 graden Celsius, zo bleek uit infraroodmetingen. De kernvraag was wat de oorzaak van dit hete stof kon zijn. „Een ster zoals onze zon produceert niet zomaar hete stof. Er moet dus sprake zijn geweest van een catastrofale botsing of een ander proces dat om deze ster plaatsvond. Een botsing tussen twee planeten is de beste verklaring die we hebben”, redeneert Tzanidakis.
Verdwenen ster
Vanaf 2020 vertoont ster Gaia20ehk afwijkend gedrag. beeld University of Washington
De Griekse promovendus bekent dat hij niet de eerste onderzoeker is die claimt een planetaire botsing te hebben waargenomen. Enkele jaren geleden werd de ontdekking van een mogelijke botsing bij ster ASASSN-21qj op ongeveer 1850 lichtjaar van de aarde wereldnieuws. „Deze ster verdween in het zichtbare licht en lichtte ook op in het infraroodspectrum”, weet Tzanidakis. Een artikel over deze botsing van twee ijsplaneten, zo groot als Neptunus, werd in 2023 gepubliceerd in vakblad Nature.
„Het verschil met de mogelijk eerder gevonden botsing is dat bij onze botsing voor het eerst gebruik is gemaakt van data van de Gaia-ruimtetelescoop. Deze is ondertussen gestopt met meten, maar nog niet alle data is gepubliceerd. We hopen dat ESA later dit jaar alle data ter beschikking stelt, zodat we meer van dit soort ontdekkingen kunnen doen.”
De ontdekking in 2020 bij Gaia20ehk is volgens Tzanidakis zeker geen nieuw ontdekte exoplaneet – een planeet buiten ons zonnestelsel. Die worden ook gedetecteerd met behulp van dipjes in de lichtcurves van sterren. „Zulke dipjes leveren doorgaans slechts 1 procent minder licht op dan de ster normaal doet. De achteruitgang in helderheid die we waarnamen, bedroeg wel 25 procent. Bovendien was deze niet symmetrisch, zoals doorgaans het geval is bij exoplaneten. De dip die we registreerden was heel abrupt, om daarna weer heel langzaam in helderheid toe te nemen. Dat duidt op een staart van materie als gevolg van een botsing.”
Platte stofschijf
Het gebied waarover het stof zich om de ster heeft verspreid, is enorm. „Het heeft een diameter van 43 keer de zon. Het materiaal verspreidt zich steeds verder en wordt na verloop van tijd een platte schijf. Uit literatuur over botsende planeten blijkt dat een ster na een poosje weer meer licht gaat geven.”
Op basis van de data uit het Gaia-archief kan de promovendus echter niet exact achterhalen hoe groot de twee botsende planeten zijn geweest. Wat hij wel kon meten, is hoeveel stof er bij de botsing vrijkwam. „Om daar een voorstelling van te geven, moet je denkbeeldig alle stof bij elkaar vegen. Dan hebben we een hoeveelheid vergelijkbaar met de omvang van Saturnus’ maan Enceladus – ongeveer een zevende deel van onze eigen maan. Het waren oorspronkelijk mogelijk twee grote ijsmanen of rotsplaneten. Ze waren qua omvang niet vergelijkbaar met de aarde of Mars.”
De oorspronkelijke exacte massa van de gecrashte planeten is lastig in te schatten. „Om de massa ervan te kunnen bepalen, moeten we meer telescoopwaarnemingen verzamelen. Ook weten we uit de huidige data niet uit welk materiaal het stof precies bestaat. In september hopen we gebruik te mogen maken van de James Webb-ruimtetelescoop om de samenstelling van het stof te kunnen bepalen.”
Verdampt gesteente
Uit analyses van andere gebotste planeten bleek dat het stof uit silica bestond. Hieruit kan worden afgeleid dat de gebotste planeten hoogstwaarschijnlijk rotsachtig waren. Ook zijn de brokstukken zo heet dat ze een typisch kristalpatroon vertonen. We zien hier vooral verdampt gesteente.”
Er bestaan meerdere modellen over hoe snel het stof na een botsing verdwijnt, legt de promovendus uit. „De stofwolk absorbeert een deel van de energie van de ster. Een deel valt in de ster en een ander deel wordt weggeblazen. De snelheid waarmee materiaal verdwijnt, zegt iets over hoe efficiënt de ster het materiaal opruimt. Als al het materiaal helemaal uit ijs bestaat, verdampt uiteindelijk alles. Is het meer rotsachtig, dan hebben we mogelijk een andere uitkomst. Daarom is het van groot belang de samenstelling van de stofwolk nader te bepalen.”
Het aantal tot nu toe bekende botsingen is slechts een handjevol. De eerst gedetecteerde botsing stamt uit 2004, bij de ster Fomalhaut op een afstand van 25 lichtjaar. Hier botsten toen twee grote brokstukken, geen volledige planeten. De Hubble-telescoop zag de uitdijende stofwolk. Ook uit waarnemingen gedaan tussen 2012–2015 en tussen 2013–2018 zijn herhaalde infrarooduitbarstingen in stelsels buiten ons eigen zonnestelsel in de Melkweg gedetecteerd. Hierbij zijn alleen de stofwolken waargenomen, niet het exacte moment van de botsingen.
„Hoe zeldzaam de botsingen tussen planeten zijn, is tot nu toe een open vraag”
Anastasios Tzanidakis, promovendus Universiteit van Washington
Handjevol botsingen
Theoretische modellen voorspellen veel meer planetaire botsingen dan in de praktijk worden waargenomen. „In deze modellen wordt gesteld dat er in een zonnestelsel met een ster vergelijkbaar met onze zon gemiddeld een tot drie grote botsingen plaatsvinden”, aldus Tzanidakis. Er is tot nu toe slechts een handjevol gevonden.
„Misschien kijken we niet goed genoeg of voorspellen de modellen te veel botsingen? Als planeetbotsingen inderdaad zeldzamer zijn dan gedacht, dan maakt dat ons zonnestelsel nog specialer. En dat willen we graag weten. Hoe zeldzaam botsingen tussen planeten zijn, is tot nu toe een open vraag.”