Een planeet uit een ander sterrenstelsel Understand article

Vertaald door Dave Lommen. Alsof planeten buiten ons eigen zonnestelsel nog niet interessant genoeg zijn, nu hebben astronomen een planet gevonden die zijn baantjes draait rond een ster van buiten ons sterrenstelsel. Johny Setiawan vertelt hierover.

Een artistieke impressie van
de exoplaneet bij de ster HIP
13044

Figuur met dank aan
Timotheos Samartzidis

Astronomen weten sinds zo’n 20 jaar dat er planeten buiten ons zonnestelsel bestaan (Wolszczan & Frail, 1992). Omdat ze rond andere sterren draaien, worden ze extrasolaire planeten of exoplaneten genoemd. Tot dusver zijn er meer dan 500 exoplaneten waargenomen en de meeste draaien hun banen rond sterren die op de zon lijken (zoals beschreven in Jørgensen, 2006). Meer dan 90% van deze sterren met exoplaneten bevinden zich in dezelfde evolutionaire fase als de zon – de hoofdreeksfase, waarin de ster waterstof verbrandt (zie de figuur hieronder).

Sterren zoals de zon brengen het grootste deel van hun leven op de hoofdreeks door, terwijl ze hun belangrijkste brandstof, waterstof, omzetten in helium. Onze zon bevindt zich nu in deze fase.

Na enkele miljarden jaren is hun brandstof bijna uitgeput en beginnen ze uit te dijen, waarbij ze de buitenlagen wegduwen van de relatief kleine en erg hete kern. Deze sterren ‘van middelbare leeftijd’ worden gigantisch groot, daardoor koel en rood en worden rode reuzen genoemd.

Na de rode reuzenfase gaat de ster over in de horizontale takfase. In deze fase is, haalt de ster zijn energie uit heliumfusie in de kern en in een dunne schil rond de kern. In deze fase bevindt de ster HIP 13044 zich op dit moment.

Anders dan meer massieve sterren eindigen deze zonachtige sterren niet in dramatische explosies. Zij sterven vredig als een planetaire nevel, waarbij bijna alles weggeblazen wordt en er slechts een klein restant achterblijft. Dit overblijfsel wordt een witte dwerg genoemd.

Kijk om meer te leren over de evolutie van sterren naar de artikelen van Boffin & Pierce-Price, 2007 (, sterren van lage massa), en Székely & Benedekfi, 2007 (zware sterren) en naar de website van The Langton Star Centrew1
Figuur met dank aan ESO / S Steinhöfel

Onze onderzoeksgroep aan het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, concentreert zich op het zoeken naar planeten rond sterren die zich niet in de hoofdreeksfase bevinden, maar die al verder geëvolueerd zijn. Daaronder zijn ook sterren in de rode reuzenfase, waarin een ster opblaast tot honderden keren de originele grootte. Het detecteren van planeten rond zulke sterren is belangrijk voor het onderzoek naar de evolutie van planetaire systemen. In het bijzonder helpt het ons de toekomst van ons eigen zonnestelsel te voorspellen.

Kort geleden heeft ons team een planet ontdekt bij de ster HIP 13044, die net de rode reuzenfase verlaten heeft.

Een extragalactische ster

De ster HIP 13044, die zich zo’n 2000 lichtjaar van ons zonnestelsel in het zuidelijke sterrenbeeld Fornax (‘de oven’), is erg anders dan andere sterren met planeten. In het bijzonder heeft hij veel minder ijzer – minder dan 1% dan de zon. Een hoge abundantie van zware elementen (de stellaire metalliciteit) is belangrijk in het core accretion-model van planeetvorming: hoe meer zware elementen zich in het stersysteem bevinden, hoe groter de kans er planeten gevormd kunnen worden. Vanwege de kleine hoeveelheid ijzer hadden we nooit verwacht een planeet bij HIP 13044 te vinden.

Wat deze ster extra bijzonder maakt, is het feit dat HIP 13044 onderdeel uitmaakt van een groep sterren dat zich door ons sterrenstelsel, de Melkweg, beweegt, allemaal op ongeveer gelijke banen. Zo een groep sterren wordt een stellaire stroom genoemd. De Helmi-stroom, waar HIP 13044 onderdeel van uitmaakt, is buiten ons melkwegstelsel ontstaan (Helmi et al., 1999). Men gaat ervan uit dat de aantrekkingskracht van de Melkweg deze sterren ons sterrenstelsel heeft binnengetrokken.

Dit is de eerste keer dat sterrenkundigen een planetair systeem van extragalactische oorsprong hebben ontdekt. Omdat andere sterrenstelsels zich zo gigantisch ver weg bevinden, zijn daar nog geen planeten waargenomen. Maar deze kosmische fusie heeft een extragalactische planeet binnen ons bereik gebracht.

Exoplaneten ontdekken

Alhoewel de ster HIP 13044 en de bijbehorende planet HIP 13044 b zich nu binnen de Melkweg bevinden, ze zijn nog altijd 2000 lichtjaar van de aarde verwijderd. We kunnen de ster zien door de telescoop, maar de planeet is te klein om op die afstand te kunnen zien. Hoe, dan, weten we dat hij er is?

Bij de zogenaamde radial velocity-methode kijken we naar het lichte wiebelen van een ster als gevolg van de aantrekkingskracht van een begeleider. Door op verschillende tijden naar de stellaire spectraallijnen te kijken kunnen we veranderingen in deze lijnen ontdekken (zie de figuur hieronder). Deze veranderingen zijn het gevolg van veranderingen in de snelheid van de ster in de richting van de gezichtslijn en kunnen op die manier de aanwezigheid van een lage-massa begeleider, zoals een planeet, verraden. Alhoewel er ook andere methoden zijn om exoplaneten te ontdekken (zoals microlensing, beschreven in Jørgensen, 2006), is de radial velocitymethode verreweg het meest succesvol gebleken. Voor deze nauwkeurige waarnemingen gebruiken we de hoge-resolutie spectrograaf FEROS op de 2,2 m MPG/ESO telescoop op de La Silla sterrewacht in Chiliw2. onderdeel van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht. Deze sterrenwacht is uitgerust met eersteklas instrumenten voor het ontdekken van extrasolaire planeten.

Radial velocity-methode voor het ontdekken van exoplaneten. Al seen ster dichtbij genoeg is, kunnen we zijn licht waarnemen. Het licht bevat informatie over de elementen in de atmosfeer van de ster in de vorm van spectraallijnen (zwarte lijnen in het gekleurde spectrum, rechts). Deze spectraallijnen kunnen waargenomen worden met, bijvoorbeeld, een hoge-resolutie spectrograaf.

In een ster zonder begeleider laten deze lijnen geen periodieke verandering in het spectrum zien. De aanwezigheid van een begeleider, zoals een planeet (blauwe bal), laat echter de ster (oranje bal) wiebelen; de beweging van de ster wordt aangegeven met een gele lijn. Als de ster (niet de planeet!) naar ons toe beweegt (naar rechts in het diagram), dan is de verandering in de radiële snelheid negatief (zoals aangegeven in de grafiek, boven); als hij van ons af beweegt (naar links), is de verandering in de radiële snelheid positief. Dit zien we terug in een verandering van de positie van de spectraallijnen: een positieve verandering in de radiële snelheid komt overeen met een verschuiving naar rode golflengten in het spectrum; een negatieve verandering correspondeert met een verschuiving naar het blauwe eind. Deze veranderingen worden gebruikt om begeleiders in een baan rond de ster te ontdekken. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan Johny Setiawan

In onze toekomst kijken?

HIP 13044 b is een van de weinige oorraad waterstof bekende exoplaneten die de rode reuzenfase van hun ster hebben overleefd. In deze fase zwelt de ster op nadat de voorraad waterstof in de kern is uitgeput. De ster HIP 13044 is weer kleiner geworden en bevindt zich nu op de horizontale tak. Dit is de eerste planet die ontdekt is bij een ster op de horizontale tak. De ontdekking van HIP 13044 b is extra interessant, wanneer we de toekomst van ons eigen planetenstelsel in ogenschouw nemen. De zon is al halverwege zijn leven en wordt waarschijnlijk over zo’n vijf miljard jaar een rode reus.

Niet alleen het bestaan van deze nieuw ontdekte planet is interessant, ook zijn eigenschappen zijn ongewoon. HIP 13044 b heeft een massa minstens 1,3 maal die van Jupiter, de grootste planeet in ons zonnestelsel, en draait rond zijn ster op een afstand van 0,12 keer die tussen de zon en de aarde (0,12 astronomische eenheid). Omdat hij zoveel dichter bij zijn ster is dan wij bij de zon, duurt een ronde rond de ster slechts 16,2 dagen, in tegenstelling tot het jaar dat onze aarde nodig is. Zo’n korte baanperiode is normaal voor sterren op de hoofdreeks, maar is ongewoon voor sterren in een late evolutionaire fase, zoals reuzen.

Ons team vermoedt dat de baan van de planeet oorspronkelijk veel wijder was, maar dat hij tijdens de rode reuzenfase nauwer is geworden. Als de planeet oorspronkelijk zo dicht bij de ster was geweest, dan had hij misschien pech gehad: de ster draait nogal snel om zijn as voor een ster op de horizontale tak en een mogelijke verklaring is dat HIP 13044 zijn binnenste planeten heeft opgeslokt tijdens de rode reuzenfase, wat de ster sneller zou doen ronddraaien (voor een verklaring waarom dit is, zie Carlberg et al., 2009)

Ook al is HIP 13044 b vooralsnog aan het lot van deze binnenste planeten ontsnapt, de ster zal opnieuw uitzetten in de volgende fase in zijn evolutie. HIP 13044 b, die zo lang overleefd heeft, kan dan alsnog door zijn ster worden opgeslokt. Dit kan ook het lot van onze eigen buitenplaneten, zoals Jupiter, voorspellen, wanneer de zon het einde van zijn leven nadert.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – The Langton Star Centre ondersteunt onderzoeksgroepen, bestaande uit scholieren die zich bezighouden met baanbrekend onderzoek. Om meer te weten te komen over de levensloop van een ster, zie hun website: www.thelangtonstarcentre.org
  • Om uit te vinden hoe natuurkundedocente Becky Parker The Langton Star Centre opzette, zie:
  • w2 – De Europese Zuidelijke Sterrewacht (ESO) bouwt en opereert een aantal van ’s werelds meest geavanceerde astronomische telescopen op de grond. ESO is een lid van EIROforum, de uitgever van Science in School. Om meer te weten te komen over ESO, zie: www.eso.org

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Johny Setiawan studeerde natuurkunde aan de Albert Ludwig Universiteit in Freiburg im Breisgau, Duitsland, voordat hij promoveerde in de astronomie en astrofysica in 2003. Daarna vertrok hij naar het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, waar zijn onderzoek zich richt op extrasolaire planeten bij zowel jonge als oudere sterren. In het bijzonder werkt hij aan spectroscopische data van optische telescopen gespecialiseerd in programma’s voor het zoeken naar planeten.


Review

Voordat ik dit artikel las, wist ik niet dat ons sterrenstelsel, de Melkweg, de gastheer is voor stromen van sterren uit andere sterrenstelsels. Ik was gefascineerd door het verhaal over deze buitenaardse bezoekers en een exoplaneet op een galactische reis.

Voor lessen dacht ik in eerste instantie aan zwaartekracht – hoe sterk die kan zijn, hoe alomtegenwoordig en over welke afstanden ze werkt. Het artikel kan ook gemakkelijk toegepast worden op andere onderwerpen binnen de natuurkunde, scheikunde en aardwetenschappen: massa, het Doppler-effect, spectroscopie (absorptie- en emissie-lijnen), de aanwezigheid van metalen in het heelal, de onderlinge aantrekkingskracht tussen hemelobjecten en de accretie van planeten. Het kan ook gebruikt worden als basis voor een discussie over kosmologie, de geschiedenis van het zonnestelsel en de zoektocht naar aardachtige planeten en buitenaards leven.

Het kan ook gebruikt worden voor een discussie over hoe wetenschap werkt: hoe hypothesen en theorieën beginnen met nieuwe waarnemingen en ontdekkingen en gebaseerd zijn op eerdere wetenschappelijke doorbraken en bekende technieken, door wetenschappers die open staan voor mogelijkheden die niet eerder beschouwd zijn.


Marco Nicolini, Italië



License

CC-BY-NC-ND