Je leest:

Natriumgas aangetoond in atmosfeer exoplaneet

Natriumgas aangetoond in atmosfeer exoplaneet

Auteur: | 8 januari 2006

Op 27 november jl. maakten Amerikaanse sterrenkundigen bekend dat een atmosfeer hebben gevonden bij een exoplaneet – een planeet bij een andere ster. De unieke waarneming wordt een doorbraak genoemd: tot nog toe wist men van de bekende 76 exoplaneten niet veel meer dan hun massa en omlooptijd. Wel doen de massabepalingen vermoeden dat het in alle gevallen om gasreuzen van het kaliber Jupiter gaat.

In 1995 ontdekten de Zwitserse sterrenkundigen Michel Mayor en Didier Queloz als eersten een planeet bij een tamelijk nabije ster die op onze zon lijkt. Van toeval was geen sprake: kort daarvoor waren bij verschillende sterrenwachten nauwkeurige meetinstrumenten in gebruik genomen waarmee bij sterren kleine snelheidsvariaties in de waarnemingsrichting kunnen worden gemeten. De ster in kwestie, 51 Pegasi, bleek met een snelheid van maximaal 50 m/s heen en weer te schommelen. Dat lijkt een flinke snelheid, maar zelfs met moderne meetapparatuur is dat maar net meetbaar.

De schommelingen van 51 Pegasi, en de vele tientallen sterren waarbij dit gedrag later ook is waargenomen, kunnen eigenlijk maar op één manier worden verklaard: om de ster draaien één of meer planeten. Een planeet van het kaliber Jupiter heeft voldoende massa om, terwijl hij eromheen draait, zijn moederster een beetje heen en weer te trekken. Of nauwkeuriger gezegd: de beide hemellichamen draaien in feite om een gezamenlijk zwaartepunt, dat niet samenvalt met het middelpunt van de ster.

De schommelbeweging van de ster resulteert in kleine, periodieke verschuivingen van de spectraallijnen in het spectrum van de ster. Het zijn uitsluitend deze zakelijke meetgegevens waaruit het bestaan van een exoplaneet kan worden afgeleid: geen van hen is ooit gezien. Ze zijn nu eenmaal veel kleiner en stralen veel minder licht uit dan de ster waar ze omheen draaien.

Getekende impressie van de planeet bij de ster HD 209458. De afstand tussen planeet en ster bedraagt slechts 6 miljoen kilometer, waardoor de temperatuur van de planeet ongeveer 1100 graden bedraagt. (bron: G. Bacon (STScI/AVL))

Hete gasreuzen

Bij de speurtocht naar exoplaneten is de laatste jaren gestaag vooruitgang geboekt: inmiddels staat de teller op 76. Hoewel de verre planetenstelsels grote onderlinge verschillen vertonen, hebben ze één ding gemeen.

Alle planeten die met behulp van de snelheidsmetingen zijn opgespoord, zijn zwaar. Dat kan ook bijna niet anders, want een planeet ter grootte van bijvoorbeeld de aarde krijgt de ster waar hij omheen draait nauwelijks in beweging. De kleine snelheidsveranderingen die dat geeft, zijn met de huidige middelen niet meetbaar.

In dit diagram is de massa van de tot nog toe bekende exoplaneten uitgezet tegen de afstand tot hun moederster. Zware planeten die dicht bij hun ster staan worden het gemakkelijkst ontdekt. Planeten met exact de baaneigenschappen van ‘onze’ Jupiter en Saturnus vallen vooralsnog buiten het bereik van de meetapparatuur. (Illustratie: A. Feild/STScI)

Het is dus niet verbazingwekkend dat de tot nog toe ontdekte exoplaneten waarschijnlijk soortgenoten van Jupiter zijn – sommige iets lichter, andere enkele malen zo zwaar. Wat wél verrassend is, is dat deze planeten al zo snel ontdekt konden worden. ‘Onze’ Jupiter doet er immers bijna twaalf jaar over om één rondje om de zon te voltooien; de bijbehorende schommelbeweging van de zon duurt dan ook twaalf jaar. Je moet in zo’n geval dus veel geduld hebben om de snelheidsveranderingen van de ster te kunnen meten.

Maar veel van de exoplaneten blijken bizar korte omlooptijden te hebben: sommige razen in iets meer dan drie dagen om hun ster. Dat laatste betekent dat in deze gevallen de planeet slechts een paar miljoen kilometer van zijn ster verwijderd is. Dat is des te vreemder als je bedenkt dat een planeet als Jupiter voornamelijk uit gassen bestaat, die bij de hoge temperaturen in de buurt van een ster grotendeels zouden moeten ontsnappen.

In dit diagram is de massa van de tot nog toe bekende exoplaneten uitgezet tegen de afstand tot hun moederster. Zware planeten die dicht bij hun ster staan worden het gemakkelijkst ontdekt. Planeten met exact de baaneigenschappen van ‘onze’ Jupiter en Saturnus vallen vooralsnog buiten het bereik van de meetapparatuur. (bron: A. Feild/STScI)

Drijven op water

Maar zijn al die grote planeten wel gasreuzen? En zo ja, hoe komen sommige dan zo dicht in de buurt van hun moederster terecht? Dat zijn de vragen waarover veel sterrenkundigen zich de afgelopen jaren het hoofd breken. Dankzij de recente ontdekking lijkt de eerste vraag nu voorzichtig positief te kunnen worden beantwoord.

In 1999 werd een exoplaneet ontdekt bij de ster HD 209458 in het sterrenbeeld Pegasus. Stom toevallig kijken we vanaf de aarde vrijwel precies tegen de zijkant van het baanvlak van de planeet aan. Dat heeft tot gevolg dat deze bij elke omloop, die ongeveer 3,5 dagen duurt, vóór de ster langs beweegt.

En dit leidt weer tot een periodieke afname van bijna twee procent in de helderheid van de ster, die eind 1999 voor het eerst is waargenomen (zie Zenit, januari 2000, blz. 38). Daarbij kwam vast te staan dat de planeet bij HD 209458 ruim anderhalf maal zo groot is als Jupiter. De meest recente schatting komt overigens uit op 1,35 maal de diameter van Jupiter.

De massa van de planeet kon worden bepaald op 0,63 maal de massa van Jupiter en een kleine rekensom levert dan een gemiddelde dichtheid van 0,8 gram per kubieke centimeter op.

Anders gezegd: de planeet van HD 209458 is zo ‘luchtig’ dat hij theoretisch op water blijft drijven. Aangenomen wordt dat deze geringe dichtheid samenhangt met zijn kleine afstand tot de ster: de gassen van de planeet hebben een temperatuur van duizend graden of meer en daardoor is de toch al omvangrijke atmosfeer enorm opgezwollen.

Op het moment dat de planeet vóór zijn ster langs beweegt, gaat een deel van het sterlicht dus door de gassen in de opgezwollen atmosfeer heen voordat het de aarde kan bereiken. Elk gas absorbeert (ster)licht bij nauwkeurig bekende golflengten: het veroorzaakt absorptielijnen in het spectrum van de ster.

Met die gedachte in het achterhoofd besloten de onderzoekers om met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop naar sporen van natriumgas uit te kijken. En in oktober jl. had men inderdaad beet: in het spectrum van HD 209458 zijn duidelijke tekenen te zien van natriumatomen die het licht van de ster absorberen en verstrooien. Weliswaar vertoont het spectrum van de ster zelf ook al absorptielijnen van natrium, maar tijdens een planeetovergang worden deze versterkt.

‘Dit is het begin van een nieuwe, boeiende fase in het onderzoek naar exoplaneten,’ aldus de enthousiaste onderzoeksleider David Charbonneau van het California Institute of Technology. ‘We kunnen nu de atmosferen van planeten bij andere sterren onderling gaan vergelijken.’ Daarbij moet dan wel worden aangetekend dat er dan nog wel meer exoplaneten moeten worden gevonden die vóór hun ster langs schuiven: dit is tot nog toe de enige.

Om meer van zulke exoplaneten op te sporen, maken waarneemteams, zoals STARE van Timothy Brown (National Center for Atmospheric Research), gebruik van eenvoudige telescopen en gangbare ccd-camera’s. ‘Ons doel is om een stuk of tien van die planeetovergangen per jaar te ontdekken,’ zegt Brown. ‘We kijken naar betrekkelijk heldere sterren, die zich goed lenen voor vervolgonderzoek met grote telescopen.’

De baan van de planeet bij HD 209458 vergeleken met de baan van de aarde om de zon. (bron: Z. Levay/STScI)

Zwart of wit?

De onderzoekers willen de planeet van HD 209458 nog verder onderzoeken. Met de Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) zullen zij ook proberen om het door de planeet weerkaatste sterlicht waar te nemen, vlak voordat hij tijdens zijn omloop achter de ster verdwijnt.

De meting van dit zwakke schijnsel zou informatie opleveren van de kleur en reflectiviteit van de planeet. ‘Volgens sommige computermodellen, moet zo’n planeet zwart als roet zijn,’ aldus Timothy Brown. ‘Volgens andere is hij helderwit, zoals Venus. Alleen waarnemingen kunnen ons vertellen hoe het werkelijk zit.’

De hoeveelheid natriumgas die nu bij de planeet is aangetoond, is overigens kleiner dan verwacht. Dat zou erop kunnen wijzen dat er hoog in de atmosfeer van de planeet (stof)wolken aanwezig zijn die een deel van het sterlicht blokkeren. Vervolgonderzoek moet uitwijzen welke gassen de planeet nog meer bevat. De onderzoekers hopen ook methaan, waterdamp, kalium en andere elementen te kunnen opsporen.

De atmosfeer van de planeet bij HD 209458 is ontdekt door de absorptie van sterlicht op de golflengten van natrium. Ook de steratmosfeer zelf vertoont zulke natriumlijnen, maar deze worden ‘dieper’ als er een planeetovergang plaatsvindt. Op hetzelfde moment neemt de helderheid van de ster ook iets af. (bron: A. Feild/STScI)

Aardse planeten

In de wat verdere toekomst zal het onderzoek aan deze exotische planeetatmosferen ongetwijfeld routine worden. En wellicht komt er dan ook een sluitende verklaring voor het feit dat veel van de waargenomen gasreuzen op zo’n kleine afstand om hun ster draaien: zijn ze werkelijk vanuit wijdere banen naar hun huidige baan gemigreerd, zoals veel sterrenkundigen denken? Waar de onderzoekers echter vooral in geïnteresseerd zijn is het opsporen van exoplaneten ter grootte van de aarde.

‘We hebben geen idee hoe gewoon aardse planeten zijn,’ aldus Ronald Gilliland van het Space Telescope Science Institute. ‘Statistisch gezien moeten we ongeveer 100.000 sterren op redelijke afstanden onderzoeken om te kunnen zeggen of planeten als de aarde gewoon of zeldzaam zijn. Met behulp van deze methode is er ongeveer een half procent kans dat we zo’n planeet vinden in een baan die we van opzij zien. We moeten dus misschien wel tweehonderd ‘aardse’ planetenstelsels waarnemen voordat we er een voor zijn ster langs zien bewegen.’

Het wordt dus nog een hele toer om op deze manier een planeet te ontdekken die meer weg heeft van de aarde dan van Jupiter. Om dan ook nog de zwakke sporen van een eventuele atmosfeer te detecteren, is nog veel nauwkeuriger apparatuur nodig dan de huidige: zo’n atmosfeer absorbeert slechts een miljoenste van het sterlicht.

Sterrenkundigen schatten dat voor een dergelijke waarneming een geavanceerde ruimtetelescoop met een opening van 10 à 20 meter nodig is. En de bouw van een dergelijk instrument zou nog wel eens eventjes op zich kunnen laten wachten…

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Astronieuws.
© Astronieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 januari 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.