Hoe vinden astronomen exoplaneten?  5 van de beste methoden, uitgelegd

Hoe vinden astronomen exoplaneten? 5 van de beste methoden, uitgelegd

Op 21 maart, kondigde NASA de bevestiging aan van de 5.000ste planeet buiten ons zonnestelsel. Van gloeiend hete gasreuzen genesteld in de buurt van hun moederster tot rotsachtige werelden die mogelijk water op hun oppervlak bevatten, er is een verscheidenheid voor wetenschappers om te bestuderen.

Maar het vinden van deze vreemde nieuwe werelden is een wetenschap op zich. We zijn pas sinds enkele decennia in staat om planeten van welke aard dan ook definitief te detecteren, en zelfs dan zijn er uitdagingen bij het detecteren van zo’n klein object op die afstand, zelfs in de krachtigste telescopen.

Inverse sprak met Marie-Eve Naud, een exoplaneetonderzoeker en outreach-coördinator voor het Instituut voor Onderzoek naar Exoplaneten van de Universiteit van Montreal, om ons meer te vertellen over hoe astronomen deze werelden vinden en de overwegingen voor elke methode. Hoewel er talloze methoden zijn, zijn de hieronder genoemde de meest voorkomende.

Planeten kunnen mini-eclipsen veroorzaken die hun aanwezigheid onthullen aan aardse waarnemers. NASA

De transitmethode:

Astronomen hebben de meeste van de bekende exoplaneten gevonden via de transitmethode, die voor het eerst werd aangetoond in 1999 om het bestaan ​​van planeet HD 209458b te bevestigen. NASA’s Kepler-ruimtetelescoop, gelanceerd in 2009, heeft duizenden planeten gedetecteerd in een vast stukje lucht nabij het sterrenbeeld Cygnus. Terwijl de planeten over het oppervlak van hun ster gingen, verminderden ze het sterlicht enigszins. Deze veranderingen in lichtniveaus zijn detecteerbaar met instrumenten die fotometers worden genoemd.

Om deze methode te laten werken, moeten astronomen een kleine verandering in de inherente helderheid (helderheid) van de ster detecteren, vaak minder dan één procent. In de ruimte is dat gemakkelijker te bereiken vanwege het gebrek aan atmosfeer die waarnemingen verstoort en is de voorkeursmethode voor missies zoals de Characterizing Exoplanet Satellite (Cheops) van de European Space Agency en de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) van de NASA.

Naud waarschuwde dat meerdere detecties nodig zijn, wat betekent dat een planeet in verschillende banen moet worden gezien om ervoor te zorgen dat het afnemende licht niet te wijten is aan zonnevlekken of stof. “Meestal wacht je tot je twee of drie transits hebt gezien”, zei ze, en ze benadrukte dat astronomen een grote hoeveelheid gegevens van de transit-methode willen hebben voordat ze bevestigen dat er een planeet is.

Zodra een planeet is gedetecteerd, kunnen astronomen de straal ervan schatten. Astronomen moeten de massa afzonderlijk vinden (vaak via de radiale snelheidsmethode, hieronder beschreven). Als astronomen de massa en straal van een planeet kunnen bepalen, kunnen ze bepalen of deze waarschijnlijk rotsachtig of gasvormig is, wat aanzienlijke gevolgen heeft voor het leven.

Als ze ontdekken dat de planeet rotsachtig is en zich in een zone van de moederster bevindt die bijvoorbeeld water kan bevatten, kunnen ze deze als bewoonbaar beschouwen. Maar er zijn complicaties, zoals of de planeet dicht bij een ster staat die vaak uitbarst, zoals een rode dwerg. Constante uitbarstingen overspoelen een wereld met straling en bedreigen alle opkomende microben. Dat is de reden waarom astronomen niet zeker weten of TRAPPIST-1 bijvoorbeeld bewoonbare exoplaneten herbergt, hoewel astronomen zeven ter grootte van de aarde in dit systeem hebben gevonden, en een paar bevinden zich in de bewoonbare zone.

Sommige planeten zijn voor ons onzichtbaar en we moeten hun bestaan ​​op andere manieren bevestigen, waaronder hun zwaartekracht. NASA

Radiale snelheidsmethode

Radiale snelheid is een gebruikelijke manier om planeten te vinden, vooral met observatoria zoals het High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher-instrument (HARPS) van de 3,6 m-telescoop van La Silla van de European Southern Observatory in Chili.

“We zeggen vaak dat de planeet rond de ster draait, maar in feite zijn beide objecten gebaseerd op hun zwaartepunt”, legt Naud uit. “Die ster beweegt een beetje, als hij een planeet heeft. Als het er veel heeft, zal het een complexe beweging hebben.”

De sleutel is kijken naar het spectrum van de ster. Terwijl de ster naar ons toe beweegt, wordt zijn licht gecomprimeerd en verschuift het spectrum naar rood. Naarmate de ster verder weg beweegt, wordt zijn licht uitgerekt en verschuiven de spectra naar blauw. Het spectrum van de ster wordt enigszins beïnvloed door de beweging van de planeet, waardoor het ‘een soort streepjescode van de ster’ is, legt Naud uit.

De eerste detectie van een planeet rond een zonachtige ster met deze methode vond plaats in 1995 toen Didier Queloz en Michel Mayor hun bevindingen publiceerden op 51 Pegasi b. Maar het was niet de allereerste detectie van een planeet – er werden er twee gerapporteerd rond pulsar PSR B1257+12 in 1992, en een derde planeet werd in 1994 bevestigd. Astronomen Aleksander Wolszczan en Dale Frail ontdekten de planeten door intermitterende veranderingen in de radio van de pulsar signaal, overeenkomend met een in een baan om de aarde draaiende planeet die tussen de pulsar en de aarde passeert. Het laat je de verscheidenheid aan wetenschappelijke middelen zien waarmee we verschillende werelden kunnen vinden.

Vier planeten zijn rechtstreeks afgebeeld in het HR 8799-systeem – allemaal massiever dan Jupiter. Jason Wang (Caltech)/Christian Marois (NRC Herzberg)

Directe beeldvorming

Met directe beeldvorming kunnen wetenschappers het licht van een ster verwijderen om exoplaneten direct te zien. Je denkt misschien dat dit een gemakkelijke methode is, maar het is ingewikkelder dan het klinkt. Gezien het feit dat deze planeten vrij klein zijn en relatief weinig gereflecteerd licht hebben voor een telescoop om te zien, is de techniek voor astronomen nog steeds lastig om te bereiken met de huidige telescooptechnologie. Daarom hebben astronomen tot nu toe slechts 60 planeten gevonden met deze techniek.

Toch zijn er voordelen: “Het is de enige methode die directe detectie van exoplaneten mogelijk maakt”, zei Naud. Hoewel deze planeten voorlopig lichtpunten zijn, kunnen we in de verre toekomst mogelijk meer details in hun atmosfeer en op hun oppervlak zien.

Er zijn twee primaire methoden die wetenschappers tegenwoordig gebruiken om directe beeldvorming uit te voeren. De eerste, coronagrafie, blokkeert het licht van de buitenste laag (of corona) van de ster met behulp van een apparaat in de telescoop, een coronagraaf genaamd, om een ​​kunstmatige zonsverduistering te creëren om planeten te spotten.

De Canadese Gemini Planet Imager is bijvoorbeeld geïnstalleerd op de 8,1-meter telescoop van het Gemini South Observatory, Cerro Pachon, Chili. Met behulp van een coronagraaf vond het de eerste bekende “jonge Jupiter”, 51 Eri b, in augustus 2015. (Naud zei dat GPI wordt beschouwd als een pionier op het gebied van directe beeldvorming.)

De tweede methode is een sterrenscherm, dat het licht van een ster blokkeert voordat het in de telescoop beweegt. Sterrenschermen die zijn ontworpen voor exoplaneten moeten een afzonderlijk ruimtevaartuig zijn van een telescoop om ervoor te zorgen dat ze de juiste afstand en hoek hebben om het sterlicht effectief te blokkeren, in tegenstelling tot sterrenschermen die worden gebruikt om het licht van onze ster af te schermen, zoals die gebouwd op de James Webb Space Telescope. Tot op heden is er nog geen starshade in de ruimte gevlogen.

Hubble heeft een paar exoplaneten met microlens gezien – en de James Webb Space Telescope krijgt misschien de kans om hetzelfde te doen.NASA

Zwaartekracht microlensing

Hoewel astronomen een significante minderheid van planeten (130+ op dit moment) hebben gedetecteerd met een techniek die microlensing wordt genoemd, zijn de waarnemingen moeilijk te volgen. Het probleem is dat we deze werelden vaak maar één keer zien. Dat komt omdat ze een fenomeen gebruiken, voor het eerst beschreven door Einstein, waarbij een groot object op de voorgrond (zoals een ster of melkwegstelsel) het licht van een veel kleiner object erachter buigt. Aangezien deze uitlijningen in de lucht kort zijn en niet kunnen worden voorspeld, betekent dit vaak dat we een bepaalde planeet niet opnieuw kunnen onderzoeken.

“Het is een beetje frustrerend, want het gebeurt één keer wanneer je een perfecte uitlijning hebt met een achtergrondobject,” zei Naud, terwijl hij waarschuwde dat het een uitdaging is om het werk voor toekomstige studies vast te stellen “omdat we het die ene keer hebben gezien.”

De uitlijning verandert enigszins wanneer een planeet – die zijn eigen zwaartekracht heeft – erbij betrokken raakt. De zwaartekracht van de planeet voegt een extra lensgebeurtenis toe aan het licht van de ster, waardoor het beeld van de achtergrondster helderder wordt en astronomen veel over die planeet kunnen leren, inclusief zijn massa en omlooptijd, ondanks het vluchtige karakter van de gebeurtenis.

Astronomen ontdekten voor het eerst een planeet met deze methode in 2003. De detectie combineerde de mogelijkheden van het Polish Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), dat de variabiliteit van sterren onderzoekt, met de Japans/Nieuw-Zeelandse Microlensing Observations in Astrophysics (MOA). De microlensing-gebeurtenis staat bekend als 2003-BLG-235 en was waarschijnlijk een planeet die 1,5 keer de massa van Jupiter was.

De verste bevestigde planeet met microlens is MOA-2011-BLG-291L b, op 28.700 lichtjaar afstand. Er is echter indirect bewijs voor planeten buiten onze melkweg, maar omdat microlensing-gebeurtenissen zo vluchtig zijn, is het onmogelijk om ze te bevestigen.

Astrometrie is gebaseerd op veranderingen in de positie van een ster veroorzaakt door een planeet. Europees Ruimteagentschap

Astrometrie

Astrometrie volgt verschuivingen in de positie van een ster geproduceerd door een in een baan om de aarde draaiende exoplaneet. Omdat sterren en hun planeten om een ​​zwaartepunt draaien, kunnen astronomen het wiebelen van een ster, veroorzaakt door een planeet, met uiterst nauwkeurige instrumenten detecteren. De techniek is vrij moeilijk omdat deze gebaseerd is op nog nauwkeurigere waarnemingen dan de radiale snelheid en de bron is geweest van verschillende controversiële claims.

Een berucht voorbeeld van de moeilijkheden van astrometrie voor ontdekkingen van exoplaneten kwam in 1963. Swarthmore College-astronoom Peter van de Kamp kondigde aan dat hij een planeet rond Barnard’s Star had gevonden met behulp van Swarthmore’s 24-inch refractor bij Sproul Observatory. Het bleek dat aanpassingen aan de primaire spiegel van de telescoop een vals signaal hadden geproduceerd en dat de exoplaneten niet bestonden.

De Gaia-missie van de European Space Agency, die nauwkeurig de posities van sterren vanuit de ruimte in kaart brengt, zal naar verwachting astrometrie gebruiken om exoplaneten op te sporen. De volgende release van gegevens, die later dit jaar wordt verwacht, kan de eerste detecties van astrometrische exoplaneten bevatten.

Het NASA Exoplanet-archief vermeldt slechts één planeet die door astrometrie is gevonden: DENIS-P J082303.1-491201b, ook bekend als VB 10b. Omdat de planeet (of bruine dwerg, afhankelijk van de geraadpleegde bron) echter niet verscheen in de daaropvolgende radiale snelheidswaarnemingen, “beschouwen de meeste onderzoekers het als een ander vals positief”, aldus de Planetary Society. Dat komt omdat wetenschappers over het algemeen de voorkeur geven aan ten minste twee detecties van een planeet om het bestaan ​​ervan te bevestigen.

De toekomst van de jacht op exoplaneten

Hoewel bij detectie van planeten in de nabije toekomst waarschijnlijk variaties van de bovenstaande methoden zullen worden gebruikt, kunnen sommige verdergaande ideeën ons in staat stellen om met meer detail naar andere werelden te kijken. Een idee is bijvoorbeeld om de zon als zwaartekrachtlens te gebruiken. Een ruimtevaartuig zou echter tot 550 afstanden zon-aarde moeten reizen om het effectief te gebruiken, wat zeven of acht keer verder is dan het ruimtevaartuig Voyager van de aarde is.

Op de grond kijken wetenschappers uit naar het eerste licht van de Extremely Large Telescope, een Europees observatorium dat naar verwachting directe beelden van sommige planeten zal maken en hun atmosferen beter zal karakteriseren. De start van de werkzaamheden is gepland in 2027.

Leave a Reply

Your email address will not be published.