Jagen op exoplaneten Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. De mogelijkheid dat er naast onze wereld er ook andere zouden bestaan heeft al duizenden jaren de mensheid begeesterd. Nu brengt de technologie deze werelden - de exoplaneten - in ons bereik.

“Er zijn oneindig veel werelden waarvan sommige  gelijken en andere  niet op onze wereld.” Dat zei de Griekse filosoof Epicurus, die we ook kennen van wat een atoom is, in de vierde eeuw vóór Christus. Maar zoals het Grieks idee van een heliocentrisch zonnestelsel in de loop van de tijden verloren ging, is dat over het grenzeloos heelal van Epicurus opzij geschoven door de dominante filosofie van Aristoteles, die stelde dat “er niet meer dan één wereld kan zijn.”

Het duurde 2000 jaar voor het denkbeeld dat de aarde wellicht niet enig was, terug ernstig genomen werd. In Italië, in 1584, op het hoogtepunt van de renaissance, verkondigde  de filosoof Giordano Bruno dat het heelal oneindig groot is en dat de sterren zonnen zijn, op grote afstand van ons, waarrond “onnoemelijk veel werelden” rondcirkelden. Ongeveer 400 jaar later in 1992 had de eerste bevestigde waarneming plaats van één van de onnoemelijk vele werelden van Bruno door de radio-astronomen Aleksander Wolszczan en Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan en Frail hadden een pulsar ontdekt die heftig rondtolde in het sterrenbeeld Maagd. 160 keer per seconde zendt deze kleine inéén geklapte ster, krachtige bundels radiogolven uit die over de aarde glijden als snelle pulsen. Een onregelmatigheid in het signaal leidde er toe dat de astronomen besloten dat “om de pulsar twee of meer planeten rondcirkelen”. Dit waren de eerste  ‘exoplaneten’ – planeten buiten ons eigen zonnestelsel. Drie jaar later werd door Michel Mayor en Didier Quelobw1 een andere exoplaneet gevonden in een baan rond de op de zon lijkende ster 51 Pegasi. Het was een extreme wereld – een ‘warme’ planeet zoals Jupiter met een massa van meer dan 150 keer deze van de aarde en nog dichter rond zijn zon dan Mercurius rond de onze.

Artist’s impression of the pulsar planet system discovered by Wolszczan and Frail
Zo ziet een kunstenaar het stelsel van een pulsar en planeten ontdekt door Wolszczan en Frail.
NASA/JPL-Caltech
 

Astronomen realiseerden zich dat het mogelijk was exoplaneten waar te nemen en de jacht om er meer te vinden was open. De wrnemingsmethoden verbeterden en de ontdekkingen stapelden zich op.

Nu kennen we meer dan 4000 exoplaneten. De meeste in de buurt van ons zonnestelsel omdat hun nabijheid het relatief makkelijk maakt om ze waar te nemen. Er kunnen alleen al  in onze melkweg een 11 miljard planeten zijn met een grootte als die van de aarde, die mogelijk bewoonbaar zijn.

Vreemde werelden

De jacht op exoplaneten heeft meer succes gekend dan de astronomen ooit gehoopt hadden. Vreemde planeetstelsels zijn alomtegenwoordig en verrassend divers, met heel veel die weinig gelijken op ons zonnestelsel. Het blijkt dat de meeste sterren planeten hebben en kleine rotsplaneten zijn er in overvloed. Er bevinden zich daartussen werelden die gelijken op de aarde en om hun ster wentelen in de ‘bewoonbare zone’ waar er vloeibaar water kan aanwezig zijn aan het oppervlak. Dat is een voorwaarde die essentieel is voor het voorkomen van leven. Er werden ook veel massieve op Jupiter gelijkende exoplaneten  gevonden en van sommige zijn foto’s  gemaakt. Er zijn wolken gevonden in hun atmosfeer en dankzij spectraalanalyse kunnen we zelfs de elementen erin bepalen.

De jacht op exoplaneten heeft echter met belangrijke uitdagingen te maken gekregen. De planeten zijn veel minder helder en kleiner dan de sterren waarrond ze wentelen. We moeten meestal een beroep doen op indirecte methoden om ze te vinden, eerder dan direct er een beeld van te maken. Er zijn verscheidene mogelijkheden, elk met eigen voor- en nadelen. In dit artikel bekijken we enkele van de belangrijkste manieren om exoplaneten te vinden.

Overgangmethode

Als een exoplaneet passeert voor zijn ster, als we er naar kijken vanaf de aarde, een verschijnsel gekend in de sterrenkunde als een ‘overgang’, dan zal de lichtsterkte ervan gedurende korte tijd afnemen, zij het maar een heel klein beetje, zoals te zien op de overgangen van de ster TRAPPIST-1 in 2015 (figuur 1).  Meer dan driekwart van de bekende exoplaneten werd op die manier gevonden. Bij de overgang methode moet je wel geluk hebben. Omdat de helling van hun banen bij toeval  verdeeld zijn, zullen vanuit ons standpunt de meeste exoplaneten nooit vóór hun ster gezien worden bij hun overgang. Om dit probleem op te lossen bekijken ruimtetelescopen zoals de Kepler Telescoop van de NASA grote aantallen sterren gedurende lange tijd. Sterren kunnen afnames in de lichtsterkte vertonen te wijten aan oppervlakte eigenschappen, zoals vlekken van de sterren, daarom zullen nadien nog waarnemingen nodig zijn om de ontdekking te bevestigen.
 

Figure 1: Graph showing the changing brightness of the red dwarf star TRAPPIST-1, which is caused by three exoplanets passing in front of the star in quick succession
Figuur 1: Een grafiek die de veranderende helderheid van de rode dwerg TRAPPIST-1 toont te wijten aan drie exoplaneten die vlug na elkaar vóór de ster passeerden.
ESO/M Gillon et al., CC BY 4.0

Gedurende een overgang passeert het licht van de ster door de atmosfeer van de exoplaneet, Daarbij worden bepaalde golflengten selectief geabsorbeerd  door elementen en moleculen in de atmosfeer. Het patroon van de absorptie die we vinden bij het uitvoeren van spectraalanalyse dient als een chemische vingerafdruk, die ons vertelt welke stoffen aanwezig zijn. Zulke studies hebben onthuld dat er water is in de atmosfeer van exoplaneten (Tsiaras et al., 2019) en ze kunnen ons zelfs vertellen of  dit water in de atmosfeer de vorm aanneemt van damp of vloeistof.

Astrometrische methode

Planeten zijn veel minder massief dan sterren maar toch zullen ze erop een aantrekkingskracht op uitoefenen. Het getouwtrek van de zwaartekracht tussen een planeet en zijn ster maakt dat het paar rond een gemeenschappelijk middelpunt wentelt.  Dat ligt meestal binnenin de ster zelf, alhoewel niet helemaal in het midden. Het resultaat is dat de ster waggelt bij het bewegen op een kleine baan rond het gemeenschappelijk massamiddelpunt. De aantrekkingskracht van Jupiter op de zon bijvoorbeeld, doet de zon waggelen met een gemiddelde snelheid van 12 m/s bij het wentelen rond een dicht bij zijn oppervlak liggend massamiddelpunt. Het effect van al de planeten in ons zonnestelsel op de zon is het waggelend pad getoond in figuur 2.
 

Figure 2: The black line shows the wobbling path of the Sun from 1944 to 1997 as the planets of the Solar System pull on it. The yellow circle indicates the Sun’s size
Figuur 2: De zwarte lijn toont het waggelende pad van de zon tussen 1944 en 1949 doordat de planeten van het zonnestelsel er aantrekkingskracht op uitoefenden. De gele cirkel duidt de grootte aan van de zon.
Carl Smith/Rubik-wuerfel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
 

De astrometrische methode steunt op het waarnemen van het bijna onmerkbaar verklikkende gewaggel van sterren die zich bevinden op vele lichtjaren van ons. Dit stelt hoge eisen aan de gevoeligheid van de instrumenten. Om dit in een juist perspectief te plaatsen zou een ster met de grootte van de zon op 42 lichtjaar ver (tien keer verder dan de  dichtste ster in onze buurt,  Proxima Centauri) moeten waggelen over slechts een vijf miljoenste graad, aangetrokken door een planeet zoals Jupiter. Dit is equivalent met het Internationaal Ruimte Station, dat vanop de aarde gezien, 1,5 mm zou opschuiven. Het effect van een planeet met de grootte van de aarde zou nog 1600 keer kleiner zijn.

Minder dan 0,02% van de bekende exoplaneten zijn met deze methode gevonden. Dat aantal zal wellicht toenemen omwille van de ruimtetelescopen, zoals deze aan boord van het Gaia ruimtetuig van ESA. Dit ondergaat geen invloed van de atmosfeer van de aarde en kan bewegingen waarnemen  zo klein  als een kwart miljardste van een graad.

Radiale snelheid methode

Een ander manier om het waggel van een ster waar te nemen is kijken naar verschuivingen in het spectrum. Dit wordt de radiale snelheid methode genoemd en maakt gebruik van het Dopplereffect, de samendrukking of uitrekking van golven van een bron die naar of weg van een waarnemer beweegt. Wanneer een ster weg van ons beweegt verschuift zijn licht naar het rode uiteinde van het spectrum. Wanneer het naar ons toe beweegt verschuift het licht naar het blauwe uiteinde.

De verschuiving in golflengte veroorzaakt door een rond wentelende planeet is klein. Het gewaggel van onze zon van 12 m/s veroorzaakt door Jupiter verschuift de spectraallijnen nauwelijks 0,000004%. Astronomische spectroscopen kunnen verplaatsingen van sterren waarnemen van minder dan 1 m/s en men werkt eraan om een precisie van 0,1 m/s te bereiken die nodig is oor planeten die gelijken op de aarde. Om die reden is de radiale snelheid methode zeer belangrijk in de astronomie als het gaat over exoplaneten en zorgde deze voor ongeveer 20% van de ontdekkingen gemaakt sinds 2012.

Zoals andere technieken die gebruikt worden om op exoplaneten te jagen, heeft de radiale snelheid methode een zekere vooringenomenheid bij het waarnemen. De planeten die het gemakkelijkst gevonden worden zijn massieve werelden die gelijken op Jupiter die dicht om de ster wentelen. De radiale snelheid methode is ook vooringenomen wat betreft sterren die veel zware elementen hebben omdat het licht van zulke sterren meer spectraallijnen hebben en zo de Doppler verschuivingen gemakkelijker waargenomen worden.

Directe beeldvorming

Figure 4: Actual image of the exoplanet HIP 65426b, produced by ESO’s Very Large Telescope. The planet’s star, shown by a cross, has been masked out. The circle indicates the orbit of Neptune on the same scale.
Figuur 3: Afbeelding van de
exoplaneet HIP 65426b,
gemaakt met de Zeer Grote
Telescoop van ESO. De ster
van de planeet, aangeduid
met een kruis, is
weggefilterd.
De cirkel duidt
de baan van Neptunus aan,
op dezelfde schaal.

ESO
 

Het ultieme bewijs dat een exoplaneet bestaat is een afbeelding ervan. Maar die directe afbeelding vereist telescopen met ongelooflijke hoge resolutie. Hoe verder een exoplaneet zich bevindt en hoe dichter bij zijn ster, hoe breder de licht verzamelende spiegel van de telescoop of lens moet zijn om de twee lichamen te onderscheiden als afzonderlijke lichamen. Er is een 8 m brede telescoop nodig om Jupiter te onderscheiden van onze zon gezien van op 600 lichtjaar ver. Om de aarde te onderscheiden zou al een telescoop met een breedte van 39 m nodig zijn. Een telescoop met exact deze grootte – de Extreem Grote Telescoop van de Europese Zuidelijke Observatoria (ESO)w2 – wordt nu gebouwd in de Atacama Woestijn van Chili en is voorzien in 2026 te starten naar exoplaneten te zoeken. Nog grotere resoluties kunnen bekomen worden door de gegevens van verschillende telescopen opgesteld over een groter oppervlak te combineren. Deze techniek is gekend als interferometrie.

De grotere uitdaging die moet aangegaan worden is deze van het extreem contrast tussen de helderheid van het teruggekaatste licht van de exoplaneet en deze van zijn ster die tot meer dan 10 miljard keer helder kan zijn, voor een exoplaneet met de grootte van de aarde. Een manier om dit probleem meester te worden bestaat erin gebruik te maken van afschermingstechnieken zoals van de coronagraaf, om het licht van de ster te onderdrukken.

Meer dan 100 exoplaneten zijn er al direct in beeld gebracht (Chauvin et al., 2017; zie figuur 3). Zoals met de overgang methode laat direkte beeldvorming ons toe de spectra van het licht van exoplaneten te bestuderen en de elementen te identificeren in hun atmosfeer.

Wat brengt  de toekomst?

De komende jaren zullen waarschijnlijk zeer opwindend zijn voor het onderzoek van exoplaneten omdat nieuwe telescopen aan het werk zullen gaan en de detectiemethoden verder zullen verbeteren. Een veelbelovend project in ontwikkeling is SPECULOOS, een groep van 4 telescopen met elk een breedte van 1 m die gebouwd worden in de Atacama woestijn. SPECULOOS zal zoeken naar exoplaneten met de grootte van de aarde die wentelen rond sterren met een oppervlaktetemperatuur onder de 2500 K.

In de jaren na 2020 zullen de James Webb Ruimte Telescoop (een partnerschap tussen NASA, ESA en het Canadees Ruimte Agentschap) en telescopen met grote apertuur zoals de ELT zorgen voor het onderscheidend vermogen dat nodig is voor het vinden van nog meer planeten met de grootte.van de aarde in de bewoonbare zone rond sterren met de grootte van de zon. Spectraalanalyse en andere beeldverwerkingstechnieken zullen het mogelijk maken zulke werelden te identificeren maar ook chemische analyses te verrichten van hun atmosfeer en te kijken naar betekenisvolle aanwijzingen van leven zoals we kennen.
 

The four telescopes of the PECULOOS Southern Observatory, which will search for Earth-sized exoplanets
De.vier  telescopen van het SPECULOOS Zuidelijk Observatorium die zullen zoeken naar exoplaneten met de grootte van de aarde.
tau-tec GmbH

Exoplaneten op school

Jagen op exoplaneten is niet alleen het voorrecht van professionele astronomen met grote en kostbare telescopen. Met de overgang methode kan je met een eenvoudige 10-20 cm telescoop de eclips van een ster waarnemen als een exoplaneet er recht ervoor passeert. Amateur astronomen en scholen zullen waarschijnlijk geen nieuwe exoplaneten ontdekken maar door de waarneming van gekende planeten te herhalen bekom je waardevolle gegevens op je zoektocht om meer te leren over die fascinerende werelden. Je kan links vinden van websites die zulke aktiviteiten voor scholen aanbieden bij de bronnen. Veel geluk op de jacht!

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Michel Mayor and Didier Queloz ontvingen de Nobel Prijs  Fysica 2019 voor hun ontdekking van een exoplaneet draaiend rond een ster zoals de zon. Lees meer over hun ontdekking op de website van de Nobel Prijs Organisatie.
  • w2 – De ESO is de meest vooraanstaande intergoevernementele astronomie organisatie in Europa en het  meest productieve astronomische  observatorium op land ter wereld, met hoofdkwartier in Garching bij München in Duitsland en met zijn telescopen in Chili.

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Wolfgang Vieser is een astrofysicus en een leraar fysica. Hij behaalde een doctoraat in astrofysica en gaf les aan een secundaire school gedurende 14 jaar vooraleer ESO Onderwijs Coördinator te worden. Geavanceerde wetenschap in de klas brengen en leraars helpen sterrenkunde te gebruiken als een toegang naar de wereld van de wetenschap is zijn voornaamste betrachting.


Review

Het zoeken naar exoplaneten blijkt een nieuwe dicipline te zijn in de astronomie. Voor de inwoners van de aarde is het interessant te weten of er zich ergens daarbuiten iets bevindt dat gelijkt op hun eigen planeet. Waarschijnlijk zullen we binnenkort een antwoord kunnen geven op de vraag of we alleen zijn.

Dit artikel beschrijft de hedendaagse methoden die gebruikt worden om exoplaneten te vinden. Deze gebruiken gewone beginselen uit de fysica en de chemie. Het artikel kan gebruikt worden als een uitgebreide oefening en de volgende vragen en uitdagingen kunnen daarbij aan bod komen:

  • Wat is een exoplaneet?
  • Vat de geschiedenis van het ontdekken van de exoplaneten samen.
  • Beschrijf één van de methoden die gebruikt worden om exoplaneten te vinden.
  • Hoe ziet waarschijnlijk de toekomst eruit van het vinden van exoplaneten?

Gerd Vogt, leraar fysica en technologie, Hogere Secondaire School voor Omgeving en Economie, Yspertal, Oostenrijk




License

CC-BY