Noorderkroon Verslagen

Exoplaneten

Wat zijn exoplaneten?

Onder de noemer “exoplaneten” vallen alle planeetachtige hemellichamen die buiten de invloed van onze eigenste zon vallen, de extrasolaire planeten. Het zijn planeten die rond een andere ster draaien.

Er zijn twee manieren waarop het bestaan van exoplaneten kan worden aangetoond. De eerste is te meten of er een wijziging in de draaiing van een ster zit. Die zou worden veroorzaakt door de sterke getijdenwerking tussen de ster en de exoplaneet. De andere manier is om te meten of  de planeet zich tussen ster en de aarde bevindt, waardoor er minder licht gemeten wordt.

Het probleem met planeten rond andere sterren is dat ze, zelfs met de sterkste telescopen op aarde, niet zichtbaar zijn. Ze stralen namelijk zelf geen licht uit, maar weerkaatsen slechts het licht van de ster. Aangezien de planeet meestal relatief dicht bij de ster staat overstraalt deze laatste de andere in duizendvoud. Maar de aanwezigheid van een planeet kan ook afgeleid worden van de zwaartekracht die hij uitoefent op de ster in kwestie. Een voldoende grote planeet zorgt er namelijk voor dat de ster zelf ook een beetje in de richting van de planeet wordt getrokken, en op die manier roteren ze eigenlijk rond een gemeenschappelijk zwaartepunt. Door gebruik te maken van het dopplereffect kan de beweging van de ster gemeten worden. Hiermee kan de baan en de geschatte massa van de exoplaneet worden berekend.

Bedekkingsveranderlijke.

Een tweede manier die soms wordt gebruikt om de aanwezigheid van een exoplaneet aan te duiden is het feit dat de planeet een deel van de ster afdekt als hij in zijn omloopbaan tussen ons en de ster komt te staan. Op deze manier verandert de lichtintensiteit van de ster in een specifieke manier en kan men ook een berekening maken van de planeet.

Vereiste is natuurlijk dat de baan van de planeet in line of sight is, m.a.w. de planeet trekt effectief voor de ster door. De eerste echte exoplaneet is ontdekt in 1995 en kreeg de naam 51 Pegasi mee. Hierna zijn nog tientallen andere ontdekkingen van exoplaneten gedaan, tot heuse planetenstelsels toe, bijvoorbeeld  Upsilon Andromedae.

De zoektocht naar planeten buiten ons zonnestelsel gaat nog altijd voort en door de voortdurende verfijning van de apparatuur worden ook steeds kleinere planeten ontdekt.

In augustus 2004 werd een nieuwe fase ingezet toen er een exoplaneet werd ontdekt van slechts 14 aardmassa's, waarvan voor het eerst verwacht wordt dat dit een terrestrische planeet  zal zijn. Er moet wel vermeld worden dat de meeste van deze planeten gasreuzen  zijn (zoals onze planeet Jupiter) en dus niet bewoonbaar zijn, noch geschikt om op te landen. Een eigenaardigheid wat de astronomen bezighoudt is ook dat deze reuzenplaneten bijna allemaal zeer dicht bij hun ster staan in vergelijking met ons zonnestelsel. Een mogelijke verklaring hiervoor kan natuurlijk wel zijn dat we nu alleen de planeten vinden die dicht bij de ster staan en deze ook sterk beïnvloeden. Het zou later evengoed kunnen blijken dat deze eerder uitzondering dan regel zijn. Om de zoektocht naar planeten die meer op onze aarde lijken uit te breiden werkt Nasa aan de Kepler-missie die over enkele jaren gelanceerd zal worden.

De Kepler-telescoop.

Triple-sterrensysteem.

Astronomen hebben onlangs een planeet ontdekt in een driesterrensysteem, een observatie die de huidige theorieën van het ontstaan van planeten ontkracht. De planeet, een gasreus iets groter dan Jupiter, draait om de belangrijkste ster van het HD188753-stelsel, in het sterrenbeeld Zwaan, en heet daarom HD188753Ab. Het sterrentrio ligt ongeveer 149 lichtjaar van de aarde. De planeet draait elke 80 uur om de belangrijkste ster op een afstand van ongeveer 8 Gm, een twintigste van de afstand tussen de aarde en de zon. De andere twee sterren tollen in 156 dagen om elkaar heen en omcirkelen de hoofdster elke 25,7 jaar op een afstand die ze in ons sterrenstelsel tussen Saturnus en Uranus zou plaatsen.

In 2001 richtte een Pools team de 1.3m Warsaw Telescope in Chili naar het centrum van de melkweg. Gedurende 32 nachten bestudeerde ze het zwakke licht van 52.000 sterren. Hun doel; het vinden van planeten. Eén ster viel op. Op een afstand van 5000 lj straalde de ster met een schijnbare magnitude van m16,6. Men zag een lichte daling in helderheid die regelmatig terugkwam. De cyclus duurde telkens exact 108 minuten en herhaalde zich elke 1,2 dagen.

Men was niet zeker en schakelde een ander team in op de Keck sterrenwacht in Hawaii.

In januari 2003 bevestigde dit team aan de hand van dopplerwaarnemingen de allereerste ontdekking door middel van bedekking en confirmeerde een Jupiterachtige planeet.

Het vinden van  extrasolaire planeten is bijna routine geworden, doch geen enkele van de ontdekte planeten is een “aardkarakteristieke”, een exo-aarde. Het vinden van zo een planeet, misschien met een bepaalde levensvorm, zou een enorm belangrijke ontdekking zijn.

Opmerkelijk bij deze ontdekking was dat de omlooptijd van deze planeet (1,2 dgn) uitkomen op een afstand van 3,2 miljoen km van de ster wat maakt dat haar oppervlaktetemperatuur rond de 3000 graden zit, bijna zo heet als het oppervlak van sommige sterren. De nieuwe planeet OGLE-TR-56b komt in de lijst van 120 andere exoplaneten, ontdekt de afgelopen negen jaren.

De ontdekte planeten verschillen in massa. De zwaarste tot nu toe, heeft 17 Jupitermassa’s, terwijl de lichtste een heel klein beetje meer dan 1/10e van de Jupitermassa heeft. Sommige hebben banen vergelijkbaar met die van OGLE-TR-56b, terwijl andere er 15 jaren over doen. Sommige omloopsbanen zijn bijna cirkelvormig, terwijl weer anderen banen hebben zo excentrisch dat het bijna kometen lijken.

Massa en kansen.

De meest intrigerende ontdekking van de studie aan data van planeetproducerende  sterren komt van de massa. Het lijkt dat, hoe massiever een ster is, hoe meer kans op planeten.

• Type M-dwergsterren met massa’s van 1/10e tot 1/3e van onze zon hebben geen planeten.
• K-sterren met een massa van 30 tot 70% van onze zon hebben 3 tot 4% kans op planeten.
• G-sterren, zoals onze zon, hebben tot 7% kans op planeten.
• F-sterren, 30 tot 50% zwaarder dan onze zon, komen uit op 10% kans op planeten.

Nog een selectiepunt: enkelvoudige sterren hebben meer kans op planeten dan meervoudige stersystemen. Binaire sterren en dan zeker de korte binaire stelsels geven planeten geen kans op overleven. De planeten in een dergelijks systeem zullen heel waarschijnlijk weggeslingerd worden. Sommige wetenschappers vermoeden exoplaneten bij bijna alle enkelvoudig sterren.

Tenslotte, de samenstelling van een ster is ook belangrijk.

Metaalgehalte van een ster.

Al in het begin vermoedde men dat, om planeten te huisvesten, een ster op z’n minst even rijk in complexe atomen moet zijn als onze zon. Deze complexe atomen, zeg maar zwaardere metalen, zijn het resultaat van gevorderde sterevolutie, waarin elke nieuwe generatie haar materiaal afstaat ter verrijking van de nieuwe generatie. Recente ontdekkingen bevestigen deze stelling; na slechts 9 jaren van onderzoek kan men stellen dat 20 tot 30% van alle sterren, vergelijkbaar met onze zon (met een hoger metaalgehalte), planeten onderhouden. Dit percentage hoopt men door verder waarnemingen op te trekken.

Waar ga je exoplaneten zoeken?

We zagen het al, de beste jachtvelden voor exoplaneten zijn de jonge metaalrijke regionen in de spiraalstelsels. Bolhopen, daarentegen zijn magere jachtvelden. Het ontbreken van stof en gas maken dat er geen vorming van een accretieschijf kan plaatsvinden. Nog meer kans maak je als je gaat zoeken in de rustigere delen van een spiraalarm. Minder massieve sterren kunnen hier rustig planetaire stofnevels uitscheiden, de voedingsbodem voor planetaire stofschijven.

Een ander voordeel in de rustigere gebieden is het ontbreken van massievere sterren in de buurt die door hun aantrekkingskracht een planeet in vorming kan verstoren.

De jacht is open.

Een andere missie in 2009 is de Space Interferometry Mission, bedoeld om de 100 meest nabije sterren te bestuderen, op zoek naar aardachtige planeten. In 2014 start men het tweedelige Terrestrial Planet Finder, het meest ambitieuze project van allen. TPF zal binnen een straal van 45 lichtjaren het zwakke licht van aardachtige planeten analyseren.

Tot nu toe zijn er nog geen aardachtige planeten ontdekt, maar dat kan enkele een kwestie van tijd zijn. Men vindt zoals gewoonlijk eerst de reuzen, dan pas de kleintjes.

In 2009 gaat Nasa een ander ruimtetuig lanceren. Het is de Space Interferometry Mission.Dit tuig gaat cyclische schommelingen van sterren bestuderen en proberen af te leiden of er hemellichamen in omloop zijn. Een gedeelte van de Terrestrial Planet Finder, welke Nasa gaat lanceren in 2014. TPF-C zal in het zichtbare licht planeten gaan zoeken en doet dit door het licht van de nabije ster te blokkeren. De tweede helft van de Terrestrial Planet Finder, de TPF-I gaat men lanceren in 2020. TPF-I gebruikt infrarode interferometrie bij die objecten die TPF-C en anderen eerder ontdekt hebben. De Darwin-missie van ESO heeft sterke gelijkenis met de TPF-I-missie van Nasa. De Terrestrial Planet Finder bestaat uit twee, elkaar aanvullende, observatoria, een zichtbaar licht-coronograaf  te lanceren in 2014.

Bovenste afbeelding is de TPF-C, de onderste is de TPF-I.

De tweede module, de TPF-I, is een infrarood interferometer en zal men lanceren voor 2020.Een combinatie van spiegels brengt alle lichtstralen in een enkel punt. Net zoals de grote radiotelescopen op aarde maak men hier gebruik van apertuursynthese (samenwerken) om een hoge resolutie te verkrijgen.

Verborgen planeten.

Astronomen ontdekten de gloed van twee “hete”Jupiters met de Spitzer Space Telescope. De sterren waar deze planeten omcirkelen overstralen de planeten, maar ze zijn detecteerbaar door hun heldere infrarode gloed, een deel van het spectrum waar sterren zoals onze zon, minder energie uitzenden. Door deze specifieke golflengte te gebruiken kan men het licht van de ster zodanig dimmen dat de planeten zichtbaar worden.

Exoplaneten, zoals planeten buiten ons zonnestelsel heten, worden wel vaker gevonden. Meestal zijn het gasreuzen, groter nog dan Jupiter, die in krappe baantjes rond hun ster draaien. Ze heten daarom 'hete Jupiters'. Ze verraden zich doordat hun bewegingen kleine schommelingen in de baan van de ster veroorzaken. Die uiten zich als kleine verschuivingen in spectraalopnamen van de ster. Ook kan de aarde tegen het omloopvlak van zo'n planeet aankijken. Als dat zo is, trekt de planeet regelmatig voor zijn ster langs. Eventjes wordt de ster daardoor wat zwakker – en dat verraadt de planeet.

Er zijn momenteel 135 exoplaneten met zekerheid geïdentificeerd, maar de meeste zijn “hete Jupiters”.Hun massa gelijk die van Jupiter, soms groter, en hun banen zitten heel kort op de ster. De ontdekking van exoplaneten met massa’s vergelijkbaar met Neptunus brengen de waarnemers in een transitzone op weg naar het ontdekken van aardachtige planeten. Hogere resolutie zal zeker nodig zijn om deze barrière te doorbreken.

Exo-Neptunussen.

De samenstelling van Neptunusachtige planeten is onbekend. De planeten kunnen gasreuzen zijn, net als onze Jupiter en Saturnus en net als bijna alle bekende exoplaneten, tot nu toe.

Maar met een massa, in de buurt van Neptunus rijzen er nieuwe mogelijkheden. De planeten zouden een rots- of ijsachtige kern kunnen hebben met daarboven een dikke laag waterstof en helium, net als Uranus en Neptunus. Het zou ook kunnen dat deze planeten massieve brokken van rots en ijzer zijn, net als Mercurius.

Gliese 436, een rode dwerg.

Juli 2003. Astronomen ontdekken een eigenaardige wobbeling in de baan van Gliese 436, een rode dwerg. Gliese 436 ligt in het sterrenbeeld Leeuw op een afstand van 33 lichtjaar. Het spectrum van deze koele, lage massa-ster toonde aan de zwaartekracht van een ongezien object een lichte wobbeling veroorzaakte in de omloop van de ster. Gliese 436 heeft ietwat minder dan de helft massa van onze zon en is meer dan 3 miljard jaren oud. Een andere Neptunusachtige planeet zit in omloop rond de ster 55 Cancri. De planeet heeft ongeveer 18 x de aardmassa en, rekening houdende met de drie voorheen ontdekte planten rond deze ster, is de eerste bekende ster die 4 planeten herbergt. De drie voorheen ontdekte planeten omcirkelen de ster in respectievelijk 15 dagen, 44 dagen en 12,3 jaren. Aan de andere kant, na de ontdekking van enkelvoudige planeten rond een ster, komt men nu meer en meer aan tot het ontdekken van ganse planetenstelsels, vergelijkbaar met de negen (?) planeten rond onze eigen zon.

Voorheen vertelden we dat je best exoplaneten kan zoeken in de rustige gedeelten van de spiraalarmen, waar genoeg gas en stof voorhanden is. Maar….. er zijn altijd uitzonderingen. Ook hier!We gaan een pulsar in een stokoude bolhoop bekijken. Kan het nog exotischer? In M4, een bolvormige sterrenhoop op 5600 lichtjaar van de aarde, is het druk.  Zo'n 100.000 sterren bewegen er door elkaar heen. Dit soort sterrenhopen zijn erg oud – ouder dan onze eigen zon en aarde en vormen dus mooie overblijfselen van het vroege heelal. In 1988 werd in M4 een pulsar onderzocht, die tien keer per seconde rond zijn as draait. In die tolbeweging zat een kleine variatie, een teken dat de pulsar een partnerster had. Die werd ook gevonden: een witte dwerg begeleidt de pulsar door de ruimte. Maar toen werd er een variatie in de variatie gevonden. Drie sterren bij elkaar? Of een planeet? Tien jaar lang werd er tevergeefs gezocht naar de derde partner in het systeem. Nu heeft met behulp van de Hubble ruimtetelescoop de schommelingen in pulsar PSR B1620-26 goed in kaart gebracht. Door de massa van de witte dwerg te schatten konden ze bepalen hoe die rond de pulsar draait. Dat gaf genoeg informatie over het stelsel om ook de baan en massa van de derde partner te berekenen. Het resultaat – 2,5 keer de massa van Jupiter in een omloopbaan van een eeuw – wijst duidelijk op een planeet. Een bolvormige sterrenhoop is niet echt gastvrij terrein voor planeten. Tenminste, dat dachten sterrenkundigen tot voor kort.

Deze satellieten van onze melkweg bevatten een paar duizend sterren en zijn gevormd toen het heelal nog erg jong was. Toen waren er nog niet veel zware elementen gevormd in supernova's. Om planeten te krijgen, nam men aan, heb je zware elementen nodig. Geen kans, in een bolhoop. Ook nog eens niet, omdat de sterren in een bolhoop erg dicht op elkaar staan.

Ze trekken en duwen aan elkaar, en een planeet zou in zo'n omgeving heel makkelijk uit zijn baan worden gestoten. Die aanname is nu onderuit gehaald – tijd om de theorieën eens goed onder de loep te nemen, dus! De gasreus in M4 is een teken dat planeten zich op de meest vreemde plekken kunnen vormen. De zoektocht naar aardachtige planeten krijgt zo extra impuls: als we zelfs planeten zien rond de dode resten van twee sterren, moet een balletje steen rond een gele dwerg toch geen probleem zijn?

Het kón eigenlijk niet, een planeet middenin de bolvormige sterrenhoop M4. Toch is hij gevonden, de planeet die rond twee uitgebrande sterren draait. Het is volgens sterrenkundigen de oudste van onze Melkweg en vormt ook een uitdaging voor theoretici. Want hoe kon een planeet zich dáár vormen? Het blijft ons verbazen!!

LBe

Absorbsiespectrum van 51 Pegasi.