Voor 1991 was het vooral een theorie. Verre sterren bleken op onze zon te lijken, dus waarom zouden ze niet net als de zon begeleid worden door een planetenstelsel? Astronomen bedachten modellen voor stervorming, en ontdekten dat het ontstaan van een planetenstelsel daar eigenlijk heel makkelijk in past. Planeten bij andere sterren, exoplaneten genoemd, zouden waarschijnlijk veelvuldig voorkomen. Maar hoe vind je een relatief klein voorwerp dat zelf geen licht geeft?
In dit dossier volgen we de zoektocht naar exoplaneten, van de vondst van de eerste exoplaneten bij een pulsar in 1991 tot de 140 aardachtige planeten die de Kepler-satelliet in 2010 ontdekte. De bijzonderste exoplaneten worden uitgelicht, we gaan in op de vraag hoe je een exoplaneet vindt, en als klap op de vuurpijl doen we een stapje verder: aan welke voorwaarden moet een exoplaneet voldoen om leefbaar te zijn, en hoe ontdekken we of een planeet dat is?
Inhoudsopgave
- De eerste exoplaneet
- Detectiemethoden
- Planetenzoekers
- Bijzondere exoplaneten
- Atmosferen
- Aardachtige exoplaneten
De eerste exoplaneet
Het is lastig om te zeggen welke exoplaneet als eerste werd ontdekt. Dat komt doordat de methoden die gebruikt werden om die eerste planeten op te sporen niet al te betrouwbaar waren. In eerste instantie dachten astronomen dat pulsar PSR 1829-10 de eerste ster was waarvan een begeleidende planeet werd ontdekt. Er zat namelijk een regelmatige verstoring in de pulsfrequentie van die pulsar, en de ontdekkers dachten dat een planeet dat moest veroorzaken. Dat bleek later niet te kloppen. De eerste exoplaneten waarvan we nu nog steeds denken dat het planeten zijn werden in 1991 ontdekt bij de pulsar PSR 1257+12. Het waren er direct twee, op een afstand van 1000 lichtjaar van onze zon.
Pas in 1995 werd bij een normale ster een planeet ontdekt. De Zwitserse astronoom Michel Mayor ontdekte een exoplaneet bij de ster 51 Pegasi. De planeet staat sindsdien bekend als 51 Pegasi b, en zou de eerste zijn van een grote hoeveelheid ‘hete Jupiters’: planeten zo groot als Jupiter die erg dicht rond hun ster cirkelen.
Detectiemethoden
Planeten geven geen licht. Ze zijn vaak klein in vergelijking met de ster waar ze omheen draaien. Die ster is meestal al niet meer dan een lichtpunt, gezien vanaf de aarde. Vandaar dat het erg lastig is om exoplaneten te ontdekken. Er is vaak een dosis geluk voor nodig.
De methode die als eerste vrucht af begon te werpen maakt gebruik van de wetten van de zwaartekracht. Een planeet wordt door de zwaartekracht van zijn ster in zijn baan gehouden, maar de ster ondervindt ook een beetje zwaartekracht van de planeet. Als de planeet zwaar genoeg is en dicht genoeg rond zijn ster draait, gaat de ster ook een beetje om de planeet heen draaien. Die schommeling in de positie van de ster kan, door heel nauwkeurig meten, opgemerkt worden. De eerste exoplaneten die zo ontdekt werden zijn allemaal ‘hete Jupiters’.
Voor een tweede methode, de transitmethode, heb je iets meer geluk nodig. Als de baan van een planeet vanaf de aarde gezien voor zijn ster langs komt, zal de planeet eens per omwenteling een heel klein stukje van zijn ster afdekken. Daardoor wordt de ster korte tijd ietsje minder helder. Over planeten die op deze manier ontdekt worden is makkelijker meer informatie te vinden dan over de schommelende hete Jupiters. Ze hoeven ook niet extreem groot te zijn om ontdekt te worden.
Een bijzonder soort exoplaneten kan ontdekt worden rondom pulsars, dat zijn snel ronddraaiende neutronensterren. Die pulsars zenden regelmatig elektromagnetische straling uit. Een planeet rondom de pulsar zorgt voor een kleine afwijking in de regelmaat van die pulsen.
De gravitatielens-methode is de meest exotische van de manieren om exoplaneten op te sporen. Deze methode maakt er gebruik van dat een ster die vóór een andere ster staat, het licht van die andere ster afbuigt met zijn zwaartekracht. Door dat effect nauwkeurig te meten is ook te bepalen of de ster die het licht ombuigt begeleid wordt door één of meerdere planeten. Op deze manier worden relatief kleine exoplaneten ontdekt.
De meeste exoplaneten worden op één van de bovenstaande manieren gevonden, maar er zijn gevallen bekend waarin een andere methode een planeet heeft ontmaskerd. Zware planeten die dicht om hun ster draaien zijn op dit moment al eenvoudig te vinden. Aardachtige planeten zijn moeilijker op te sporen. Er zijn daarom zowel verbeterde als nieuwe technieken in ontwikkeling die het zusje van de aarde moeten gaan vinden.
Planetenzoekers
De zoektocht naar exoplaneten begon vanaf de aarde, met grote telescopen die zowel in het zichtbare lichtspectrum als in het infrarood de hemel af speuren. Waarneming vanaf de aarde heeft echter een groot nadeel bij het doen van precieze metingen: de atmosfeer verstoort die metingen nogal, zodat de kleine details verloren kunnen gaan. Dat probleem kan deels worden opgelost door met een sterke laserstraal een namaakster op de hemel te ‘projecteren’. De beweging daarvan kan dan gebruikt worden om de beweging van echte sterren te corrigeren.
Een aantal telescopen op aarde heeft instrumenten aan boord die speciaal zijn ontwikkeld voor het vinden van exoplaneten. Eén van de bekendste is het HARPS-instrument op de Europese Very Large Telescope in Chili. Op diezelfde VLT is PRIMA geïnstalleerd, met hetzelfde doel.
Maar om echt goed naar exoplaneten te zoeken kan je de atmosfeer beter omzeilen, door een ruimtetelescoop te gebruiken. Er zijn op dit moment twee satellieten in de ruimte die als hoofddoel hebben om naar exoplaneten te zoeken. De oudste van die twee is de Franse COROT-satelliet, die vanaf zijn lancering in 2006 al tientallen exoplaneten heeft ontdekt. In 2009 kwam daar NASA-satelliet Kepler bij. Kepler heeft zijn eerste metingen inmiddels gedaan, en daarbij honderden nieuwe exoplaneten ontdekt. Binnenkort wordt meer over deze planeten, waartussen ook aardachtige planeten zitten, bekend. In het onderstaande filmpje is, naast de Kepler-satelliet, een visuele uitleg van de transitmethode te zien.
Bijzondere exoplaneten
Het merendeel van de exoplaneten die we kennen is groot, zwaar en heet. Ze draaien dicht om hun zon heen, waardoor het effect dat ze op die ster hebben goed meetbaar is vanaf de aarde. Dat betekent natuurlijk niet dat de meeste exoplaneten er zo uit zien: kleinere en verdere exoplaneten zijn gewoon minder makkelijk te vinden. Dankzij met name de Kepler-satelliet zijn er nu ook kleinere exoplaneten ontdekt, sommige zelfs minder dan twee keer zo zwaar als de aarde. Hoe meer exoplaneten we ontdekken, hoe groter de variatie in die planeten blijkt. Een aantal van de bekende exoplaneten is wel heel erg vreemd…
Giftige superstormen op exoplaneet
Studenten ontdekken bijzondere planeet
Exoplaneet in tripelster
Schijngestalten exoplaneet gezien
Atmosferen
Het is knap lastig om vanaf de aarde planeten bij andere sterren te ontdekken. Om daarna meer over die planeet te weten te komen dan zijn gewicht en zijn baan is al helemaal een uitdaging. Gelukkig zijn er slinkse weggetjes om een exoplaneet beter onder de loep te nemen, zodat we vast kunnen stellen of de planeet een atmosfeer heeft, en hoe die eruit ziet. Dat zijn belangrijke details als we proberen exoplaneten met onze eigen aarde te vergelijken.
Lang niet alle exoplaneten zijn geschikt voor een onderzoek naar de atmosfeer. Planeten geven namelijk geen licht, en om de samenstelling van een gaslaag vast te kunnen stellen is het heel belangrijk dat er licht door die gaslaag heen komt. Als lichtbron is de ster waar de planeet omheen draait natuurlijk erg geschikt, maar de meeste exoplaneten draaien vanaf de aarde gezien nooit voor hun ster langs.
De planeten wel voor hun ster langs draaien zijn interessanter. Als zo’n planeet een atmosfeer heeft, houden de gassen in die atmosfeer sommige kleuren van het sterlicht dat erdoorheen valt tegen. De kleuren die tegen worden gehouden kunnen dan in een aards laboratorium vergeleken worden met bekende gassen. Ieder gas heeft een unieke vingerafdruk van kleuren die tegengehouden worden. Daarom kunnen we op vele duizenden lichtjaren afstand toch bepalen of een verre exoplaneet misschien een atmosfeer van zuurstof en koolstofdioxide heeft…
We vonden op deze manier al een Jupiterachtige planeet waarop giftige superstormen woeden, een exoplaneet met methaan in de atmosfeer en meerdere met koolstofdioxide. Een tweelingzusje van de aarde is nog niet gevonden, maar Franse onderzoekers toonden onlangs aan dat een planeet ter grootte van de aarde genoeg informatie weg zou geven over zijn atmosfeer om te zien dat hij op die van de aarde lijkt.
Aardachtige exoplaneten
Uiteindelijk hopen we natuurlijk op een exoplaneet die als twee druppels water op de aarde lijkt, het liefst met water, leven en al. Het is niet meer zo heel moeilijk om kleine exoplaneten te vinden. Met een beetje geluk kunnen we daarvan zelfs bepalen hoe de atmosfeer eruit ziet. De temperatuur van een planeet is te berekenen door de lichtkracht van zijn ster te meten en te kijken hoever de planeet daar vandaan staat.
Voor de ontwikkeling van een aangenaam klimaat op een planeet luisteren de afstand tot zijn ster en de grootte van die ster heel nauw. Te dicht bij de ster en het wordt er verzengend heet, te ver weg en de winters zijn niet te harden. De zone waarin het precies goed is noemen we de leefbare zone of ook wel de Goldilocks Zone. Die laatste naam komt uit het sprookje van Goudlokje en de Drie Beren – voor Goudlokje moest de pap niet te heet, niet te koud, maar precies goed zijn.
Er moeten wel heel veel dingen precies kloppen willen we een tweelingzusje van de aarde vinden. De planeet moet niet te groot en niet te klein zijn, op de goede afstand rond zijn zon draaien en dan ook nog op zo’n manier dat hij soms voor de ster langs komt. Dan moet blijken dat hij een atmosfeer heeft die vergelijkbaar is met de aarde. Pas als aan al die voorwaarden is voldaan kunnen we een exoplaneet daadwerkelijk aardachtig noemen.
En of er dan ook leven op die planeet is, planten of andere buitenaardse wezens? Daar zijn we dan nog lang niet achter. De enige manier om dat zeker te weten is door naar de planeet toe te gaan. Helaas zijn ruimtereizen buiten ons zonnestelsel nog lang niet mogelijk.