Je leest:

Jacht op exoplaneten wordt intenser

Jacht op exoplaneten wordt intenser

Auteur: | 1 juli 2006

Nieuwe planeten zijn de laatste tijd schering en inslag in de sterrenkunde. Wat moeten we met al die ontdekkingen? En wat staat ons nog te wachten? Govert Schilling maakt de balans op.

Europese sterrenkundigen hebben een bijzonder planetenstelsel ontdekt. Eén ster die op het eerste gezicht veel op de zon lijkt, met daaromheen drie planeten, elk ongeveer zo zwaar als de planeet Neptunus. De binnenste van de drie bestaat waarschijnlijk uit gesteenten, net als de aarde, maar hij draait zo dicht rond zijn moederster dat er vanwege de hitte geen leven kan voorkomen. De buitenste bevindt zich in de ‘bewoonbare zone’, waar de temperatuur aangenamer is, maar deze planeet bestaat uit gassen, en heeft geen vast oppervlak. Overigens is er in het planetenstelsel, op 41 lichtjaar afstand van de aarde, ook een planetoïdengordel ontdekt – een brede band van rotsblokken en steenklompen zoals die ook in ons eigen zonnestelsel voorkomt.

Illustratie van het nieuw ontdekte planetentrio.

Een opzienbarende ontdekking, zo’n planetentrio bij een andere ster. Toch heeft het nieuws nauwelijks de kranten gehaald. Op tv is er al helemaal geen aandacht aan geschonken. De reden? Exoplaneten worden tegenwoordig aan de lopende band ontdekt, en ook al is elke nieuwe vondst weer bijzonder en uniek, toch beginnen zowel de media als het publiek een beetje planeet-moe te worden. Op dezelfde dag waarop Christophe Lovis en Michel Mayor van de Sterrenwacht van Genève hun ontdekking van het nieuwe planetenstelsel bekendmaakten, kwam het Amerikaanse Space Telescope Science Institute met een persbericht over de vondst van een Jupiter-achtige exoplaneet door een team van beroeps- en amateur-sterrenkundigen. En tussen het moment waarop dit artikel is geschreven en het tijdstip waarop dit nummer van Eos in je brievenbus ligt, zijn er ongetwijfeld wéér nieuwe ontdekkingen gedaan.

Elke paar weken raak

In de elf jaar sinds de vondst van de eerste exoplaneet, in het najaar van 1985, is hun aantal gestegen tot boven de 180. Gemiddeld eens in de paar weken wordt er weer een nieuwe gevonden, en het eind is voorlopig nog lang niet in zicht. Maar wat moeten we met al die ontdekkingen? Welke nieuwe inzichten leveren die exoplanetenstelsels op? En wat vertellen die inzichten ons over ontstaan en evolutie van ons eigen zonnestelsel?

Voor alle duidelijkheid: een planetenstelsel zoals het onze is tot op heden nog niet gevonden, en van een ‘tweede aarde’ is al helemaal geen sprake. In plaats daarvan hebben planetenjagers een bonte verscheidenheid aan zonnestelsels blootgelegd. Bij veel sterren zijn reuzenplaneten ontdekt die in heel kleine banen bewegen, soms met omlooptijden van hooguit een paar dagen. In andere stelsels beschrijven de planeten langgerekte ellipsbanen, of bevinden ze zich in dubbelstersystemen. Er zijn zelfs planetenstelsels ontdekt bij pulsars – de compacte, uitgebrande sintels van zware sterren. Je zou bijna gaan denken dat ons eigen zonnestelsel de uitzondering op de regel vormt.

Maar schijn bedriegt. Met de huidige technieken kunnen zware planeten in kleine omloopbanen het snelst gevonden worden. Om een licht planeetje zoals de aarde te vinden, of een reuzenplaneet in een wijde, trage baan, zijn gevoeliger methoden nodig, of langere waarnemingsreeksen. Dus het eerst ontdekte exoplaneten-topje is niet representatief voor de hele ijsberg. Sterrenkundigen twijfelen er dan ook niet aan dat er talloze tweelingbroertjes en -zusjes van de aarde bestaan: planeten van metalen en gesteenten, met een vast oppervlak en een dampkring, op een gunstige afstand van hun moederster, zodat er vloeibaar water en – heel misschien – leven kan voorkomen. Het is een kwestie van tijd voordat de eerste wordt gevonden.

De ontdekking van het planetentrio door Lovis en Mayor is in dat opzicht dan ook een belangrijke stap. Tien jaar geleden was het nog helemaal niet mogelijk om een planeet zo zwaar als Neptunus te ontdekken. Alleen veel zwaardere reuzenplaneten konden gevonden worden; de apparatuur was niet gevoelig genoeg om exemplaren te detecteren die lichter waren dan Jupiter. De Europese astronomen hebben drie jaar geleden echter een extreem gevoelige spectrometer in gebruik genomen op de 3,6-meter telescoop van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili. Met dat instrument, HARPS geheten (High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher), worden nu min of meer aan de lopende band Neptunus-achtige exoplaneten gevonden.

Dopplerverschuiving van sterrenlicht. De zwaartekracht van ster en exoplaneet zorgt dat ze om elkaar heen draaien. De beweging van de ster is te zien als een periodieke rode en blauwe Dopplerverschuiving van het sterrenlicht.

Dopplereffect

Verreweg de meeste exoplaneten zijn ontdekt met de spectroscopische methode die ook door HARPS wordt toegepast. Het principe is simpel. Als er een zware planeet rond een ster draait, zal die ster zelf ook een beetje wiebelen, door de zwaartekracht van de planeet. De ster beweegt daardoor met een snelheid van hooguit een paar meter per seconde afwisselend naar ons toe en van ons af. Die radiale snelheden kunnen opgemeten worden door een gevoelige spectrometer, die daarbij gebruik maakt van het dopplereffect: als de ster naar ons toe beweegt, zien we het licht van de ster met een nét iets kortere golflengte op aarde aankomen dan waarmee het werd uitgezonden; beweegt de ster van ons af, dan is de golflengte juist een tikje groter.

Nu is meteen duidelijk waarom er zoveel zware exoplaneten in kleine omloopbanen zijn ontdekt. Hoe zwaarder een planeet, hoe sterker zijn zwaartekrachtsinvloed op de ster. En hoe kleiner de omlooptijd van de planeet is, des te hoger is de bewegingssnelheid van de ster. Bovendien hoef je niet lang te wachten voordat je de ster van bewegingsrichting ziet omkeren: de helft van de omlooptijd beweegt hij naar ons toe, de andere helft van ons af. Dus de radiale-snelheidstechniek is bij uitstek gevoelig voor zware reuzenplaneten die heel dicht bij hun moederster staan – de zogeheten ‘hete jupiters’. Die zijn dan ook als eerste gevonden. Wat natuurlijk niet wil zeggen dat kleinere planeten in ‘normalere’ banen niet bestaan.

Overigens kwam de ontdekking van ‘hete jupiters’ als een volslagen verrassing. Volgens de gangbare theorieën ontstaan gasvormige reuzenplaneten op grote afstand van hun moederster. Dus hoe zijn al die zware exoplaneten zo dicht bij hun ster terechtgekomen? Theoretici denken dat te kunnen verklaren met het migratiescenario. De reuzenplaneten zijn wel op grote afstand van hun ster ontstaan, maar kort na hun ontstaan zijn ze naar binnen gespiraald. Die planeetmigratie zou op gang zijn gebracht door een soort ‘wrijving’ van de pasgevormde planeet met de ronddraaiende gas- en stofschijf waaruit hij is ontstaan.

Stofschijf van 100 aarde-zon afstanden breed rond de ster AU Microscopii. Klonteringen in zo’n stofschijf groeien uit tot grote rotsblokken die weer samensmelten tot planeetkernen. bron: Universiteit van Hawaii

Migratie

Inmiddels staat vast dat ook de reuzenplaneten in ons eigen zonnestelsel zo’n migratie achter de rug hebben. Die is alleen heel bescheiden gebleven, en kwam al snel tot stilstand, waarschijnlijk doordat de gas- en stofschijf in een vroeg stadium al was opgelost en weggeblazen. Gelukkig maar, want als de reuzenplaneet Jupiter ook helemaal naar binnen was gespiraald, zou de aarde door zwaartekrachtstoringen de zon in zijn geslingerd, of juist de ruimte in zijn geworpen.

Misschien is zoiets in het verleden trouwens wel gebeurd: volgens sommige berekeningen zijn er in ons zonnestelsel eerdere generaties van planeten geweest die als gevolg van migratieprocessen van het toneel zijn verdwenen. Ook in andere planetenstelsels kan dat het geval zijn geweest. Dat zou dan een mooie verklaring vormen voor het hoge ‘metaalgehalte’ van de sterren-met-planetenstelsels. Die sterren bevatten in hun buitenste gaslagen meer zware elementen (‘metalen’ in sterrenkundig jargon) dan gemiddeld. Wie weet zien we hier de verontreinigingen van eerdere generaties planeten.

De meeste van deze nieuwe inzichten hebben we dus te danken aan precisiemetingen van de radiale snelheden van sterren met gevoelige spectroscopen zoals HARPS. In het nieuw ontdekte planetentrio moet ook op grote schaal migratie hebben plaatsgevonden: de binnenste twee planeten hebben omlooptijden van 8,67 en 31,6 dagen, en bewegen op veel kleinere afstand rond hun ster dan Mercurius, de kleine binnenste planeet in ons eigen zonnestelsel. De derde planeet in het stelsel heeft een omlooptijd van 197 dagen, en bevindt zich op een afstand waar de temperatuur laag genoeg is om het bestaan van vloeibaar water mogelijk te maken. Het is onwaarschijnlijk dat er op de gasvormige planeet zelf leven voorkomt, maar op een hypothetische maan van deze planeet zou dat heel goed mogelijk zijn.

Hete jupiter

De andere nieuw ontdekte planeet, waarvan de vondst bekendgemaakt werd door astronomen van het Space Telescope Science Institute, is óók bijzonder, vooral omdat hij met behulp van een totaal andere techniek is ontdekt. Het gaat hier opnieuw om een ‘hete jupiter’, met een omlooptijd van een paar dagen. De planeet is echter niet gevonden door een peperduur HARPS-achtig instrument op een grote telescoop, maar door een relatief goedkoop ‘dubbelkijkertje’ dat uit twee forse telelenzen bestaat. Met die opstelling wordt nacht na nacht van duizenden sterren de helderheid nauwkeurig opgemeten. Wanneer een ster periodieke helderheidsdipjes vertoont, wijst dat mogelijk op het bestaan van een exoplaneet.

Ook hier is het principe heel eenvoudig: als we toevallig van opzij tegen de baan van zo’n planeet aankijken, zal hij elke omloop voor zijn moederster langs bewegen. Tijdens zo’n ‘overgang’ wordt een klein deel van het licht van de ster tegengehouden. De ster is dus een paar uur lang iets zwakker dan normaal, en dat herhaalt zich heel nauwkeurig elke omloop. Slimme computerprogramma’s kunnen dit soort periodieke helderheidsdipjes gemakkelijk opsporen in de enorme hoeveelheid meetgegevens. En als er eenmaal een verdachte ster gevonden is, kan er altijd nog een grote telescoop worden ingezet om precisiemetingen uit te voeren.

De overgangstechniek biedt een heel mooie aanvulling op de radiale-snelheidstechniek. Door nauwkeurig op te meten hoeveel sterlicht door de planeet wordt tegengehouden, kun je de middellijn van de planeet berekenen. Uit de radiale snelheden volgt een waarde voor de massa van de planeet, en als je zowel de middellijn als de massa kent, weet je ook wat de soortelijke dichtheid van de planeet is. Zo kun je erachter komen of hij uit zware materialen bestaat (gesteenten en metalen) of uit lichte gassen. En er is nog iets: als de planeet een dampkring heeft, zal het sterlicht tijdens de overgang door die dampkring heen schijnen, en een nauwkeurige analyse van het sterlicht vertelt je dan dus iets over de samenstelling van die dampkring. In principe moet het zelfs mogelijk zijn om uit waarnemingen van planeetovergangen het bestaan van eventuele planeetmanen of -ringen af te leiden.

Tot nu toe is slechts een handjevol exoplaneten gevonden met behulp van de overgangstechniek. Niet zo gek, want de kans dat we vanaf de aarde precies tegen de zijkant van een ander planetenstelsel aankijken is natuurlijk niet zo groot. Maar de techniek zal in de toekomst een steeds belangrijkere rol gaan spelen. Om te beginnen heb je er geen extreem dure apparatuur voor nodig. Verschillende teams hebben inmiddels grote telelenzen met gevoelige detectoren en slimme computers in bedrijf, en het kan niet lang duren voordat ook die een keer beet hebben.

Doorbraken

Het ziet er trouwens naar uit dat de overgangstechniek de eerste aarde-achtige exoplaneet zal gaan opleveren. Als je de helderheidsvariaties van een ster extreem nauwkeurig kunt opmeten, kun je op deze manier niet alleen grote reuzenplaneten vinden, maar ook veel kleinere planeten zoals de aarde. De metingen moeten dan wel vanuit de ruimte plaatsvinden, omdat een instrument op aarde teveel last heeft van atmosferische storingen. Binnenkort worden er twee satellieten gelanceerd die dit soort metingen gaan verrichten: de Franse COROT-kunstmaan (najaar 2006) en de Amerikaanse Kepler-satelliet (2008). Kepler zal jarenlang van tienduizenden sterren de helderheid opmeten, en sterrenkundigen verwachten dat de ontdekking van de eerste ‘exo-aarde’ in 2009 een feit zal zijn.

Naast de radiale-snelheidstechniek en de overgangstechniek zijn er nog een paar manieren om exoplaneten te vinden. Zo verraadt een exoplaneet zich heel af en toe doordat hij met zijn zwaartekracht het licht van een veel verder weg gelegen ster gedurende korte tijd even kan versterken (zie Eos, maart 2006, pag. …). Het lijkt echter onwaarschijnlijk dat die microlenstechniek ooit grote aantallen exoplaneten gaat opleveren. Heel anders ligt dat met de astrometrietechniek, waarbij gespeurd wordt naar schommelingen van de ster aan de hemel. Die periodieke positieveranderingen zijn uiterst klein, en bovendien zijn ze natuurlijk kleiner naarmate de ster op een grotere afstand staat. Maar in tegenstelling tot de radiale-snelheidstechniek is de astrometrietechniek juist gevoelig voor planeten op grote afstand van hun moederster (met het bijkomstige nadeel dat je wel veel geduld moet hebben voordat de planeet één volledige omloop heeft voltooid).

Tot op heden heeft de astrometrietechniek nog nauwelijks tastbare resultaten opgeleverd, hoewel het tientallen jaren geleden wel de eerste methode was die astronomen gebruikten om jacht te maken op planeten bij andere sterren. Over niet al te lange tijd gaat daar echter verandering in komen. In december 2011 moet de Europese GAIA-kunstmaan gelanceerd worden, die buitengewoon nauwkeurige positiemetingen aan honderden miljoenen sterren gaat verrichten. Naar verwachting zal GAIA op die manier tienduizenden exoplaneten vinden. Tegen die tijd kunnen astronomen eindelijk statistisch betrouwbare uitspraken doen over planeten bij andere sterren, en zullen we ook antwoord krijgen op de vraag hoe uniek ons eigen zonnestelsel nu eigenlijk is.

De jacht op exoplaneten is de laatste tijd enorm aan het intensiveren. De nieuwe ontdekkingen die in mei wereldkundig werden gemaakt – het planetentrio dat gevonden is met de Europese HARPS-spectrometer en de ‘hete jupiter’ die via de overgangstechniek is ontdekt – zijn relatief kleine, maar daarom niet minder belangrijke stappen op weg naar een beter inzicht in ontstaan en evolutie van planetenstelsels en in de uniciteit van onze thuisplaneet. Dat die talloze tussenstappen het televisiejournaal niet meer halen is niet zo gek. Daarvoor is een opzienbarende doorbraak nodig. En die doorbraken liggen in het verschiet – daar kan geen twijfel over bestaan.

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juli 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.