SRON - De aarde in perspectief

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Wednesday Jan 19th, 2022

Diverse (toekomstige) missies: De aarde in perspectief

Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missie in het kort

Onze zon wordt vergezeld door acht planeten, tot nu toe vijf bekende dwergplaneten en vele honderdduizenden planetoïden, kleiner gruis en een verzameling kometen. Ze bestaan allemaal uit vast materiaal, zoals rots, ijs, metaal, met uitzondering van de vier grootste planeten. Twee daarvan, Jupiter en Saturnus, zijn gasreuzen. Uranus en Neptunus zijn een stuk kleiner en worden ook wel ijsreuzen genoemd, hoewel ze een dichte atmosfeer bezitten. Van de objecten die uit vast materiaal bestaan is onze planeet de grootste. Voor zover we weten is het de enige plaats in het zonnestelsel waar leven voorkomt. Er is een klein aantal andere plaatsen waar leven heel misschien kan voorkomen, in een primitief stadium. Zoals vlak onder het oppervlak van de planeet Mars, in de door dikke ijslagen bedekte oceaan van de Jupitermaan Europa en de Saturnusmaan Enceladus.

Is het planetenstelsel van de zon uniek? Om daar achter te komen kun je op zoek gaan naar planeten bij andere sterren. Maar dat valt niet mee omdat de sterren heel ver weg staan en de felle gloed van de ster het zwakke gereflecteerde licht van eventueel aanwezige planeten volkomen overstraalt. Bovendien staat zo’n planeet op een zeer kleine hoekafstand van de ster. Je hebt dan een heel grote telescoop nodig en bovendien moet je op de een of andere manier de luchttrilling in de atmosfeer uitschakelen om een mooi scherp beeld te krijgen. Tot de jaren negentig van de vorige eeuw is de beschikbare techniek onvoldoende om planeten bij andere sterren – exoplaneten genoemd – te kunnen ontdekken.

Er is een aantal strategieën die je kunt gebruiken om achter het bestaan van exoplaneten te komen. Elk van hen heeft bepaalde voor- en nadelen en vergt speciale experimenten, zowel voor aardse telescopen als voor ruimtemissies.

Eclips- of transitmethode. Als de aarde toevallig in het baanvlak ligt van een planeet die om een andere ster beweegt, zien we de planeet periodiek voor de ster langs trekken.
Lees meerOp regelmatige tijden vertoont de helderheid van de ster dan een dipje. Zelfs bij planeten die veel groter zijn dan Jupiter is het helderheidsverschil slechts in de orde van een honderdste magnitude of minder: fracties van een promille in lichtkracht. Je moet dus zeer gevoelige en stabiele lichtmeters hebben, en naar een groot aantal sterren kijken, het liefst voor langere tijd. Als alle planetenstelsels in het heelal ruimtelijk willekeurig zijn georiënteerd, heeft minder dan een procent de juiste stand om eclipsen te produceren. En als je planeten wilt ontdekken die net als Jupiter in tien jaar om de zon draaien, moet je zo’n ster decennialang in de gaten houden.
Doppler- of pulsarmethode. Spectraallijnen in het spectrum van een ster verschuiven een beetje naar het rood als de ster van ons af beweegt, en naar het blauw als hij naar ons toe beweegt. Planeten die om een ster draaien laten hun moederster een beetje 'wiebelen’.
Lees meerHet effect is natuurlijk het sterkst als de aarde in het baanvlak van die planeten ligt, en is onmerkbaar als we loodrecht op het exoplanetenstelsel kijken. Maar we kunnen in principe meer stelsels ontdekken dan de eclipsmethode, en bovendien behoeven we niet een aantal omlopen van planeten die op grote afstand van hun ster staan, af te wachten. Aan de andere kant moeten we wel beschikken over een spectrometer waarmee we minieme snelheidsverschillen (lees: verschuivingen van de spectraallijnen) kunnen meten. Omdat het steroppervlak zelf ook beweegt en verschuiving van spectraallijnen veroorzaakt – en waarvoor we moeten corrigeren – moeten we in de praktijk toch voor lange tijd metingen doen om periodieke effecten te kunnen zien. Speciaal in het geval van pulsars, snel om hun as draaiende neutronensterren die we zien ‘tikken als een klok’, kun je planeten opmerken via het periodiek sneller en trager lopen van die klok. De methode is extreem gevoelig en kan gemakkelijk aardachtige planeten opmerken. Overigens zou je natuurlijk geen planeten verwachten nadat eerder een massieve ster in de buurt is geëxplodeerd.
Astrometrische methode. Ook deze methode maakt gebruik van het feit dat planeten hun moederster een beetje laten wiebelen. Maar nu proberen we om dat wiebelen te meten door te kijken naar periodieke verplaatsingen van de ster aan de hemel.
Lees meerHet gaat dan om fracties van fracties van boogseconden. Weer is het effect maximaal als de aarde in het baanvlak van de exoplaneten ligt en minimaal als we loodrecht op het stelsel kijken. Wederom moeten we, voor planeten op grotere afstanden van hun ster, lange tijdreeksen van waarnemingen opbouwen.
Lensmethode. Deze strategie maakt gebruik van een effect dat beschreven wordt door de relativiteitstheorie. Als een exoplaneet exact voorbij een veel verder weg gelegen ster trekt, kan hij het sterlicht met zijn zwaartekrachtsveld tijdelijk focusseren op de aarde, zodat we de ster heel even helderder zien. Uit de vorm van de helderheidspiek en de snelheid waarmee het effect verloopt, kunnen we de sterkte van het zwaartekrachtsveld van de planeet uitrekenen.
Lees meerOok deze methode vergt dat je voor lange tijd een groot aantal sterren continu in de gaten houdt. Je bent voor deze methode niet afhankelijk van de oriëntatie van het planetenstelsel en je kunt ook kleine (aardachtige) planeten opmerken, maar daar staat tegenover dat zo’n lenseffect een eenmalige gebeurtenis is. Om er zeker van te zijn dat het om een echt effect gaat, zou je feitelijk twee onafhankelijke observaties moeten doen.
Stofschijfmethode. Het idee achter deze strategie is dat planetenstelsels zich verraden door de grote hoeveelheid gruis en stof dat meedraait, ook als de vorming van het stelsel al is afgerond. Je kunt dus op zoek gaan naar stofschijven en een handige manier is om dat te doen in het infrarood omdat juist daar het stof de meeste straling uitzendt.
Lees meerKandidaten die je vindt kun je ‘screenen’ met grote optische telescopen. De methode is onafhankelijk van de oriëntatie van het planetenstelsel. Om planeten in de stofschijf te zien moet je het licht van de moederster afdekken of op een andere manier ‘uitschakelen’. En dan nog zal een observatie van eventuele planeten beperkt blijven tot sterren die niet al te ver weg staan.
Polarimetriemethode. Lichtdeeltjes (fotonen) trillen heen en weer in een vlak loodrecht op de voortplantingsrichting. Normaalgesproken bestaat er geen voorkeursvlak en is licht ongepolariseerd. Bepaalde natuurkundige processen kunnen het licht een klein beetje, of soms heel sterk, laten polariseren.
Lees meerEen van die processen is verstrooiing, zoals aan de atmosfeer van een exoplaneet. De mate van polarisatie hangt af van de onderlinge stand van de planeet, de moederster en de aarde, en verder van allerlei eigenschappen in de planeetatmosfeer. Deze methode is dan ook een van de weinige waarbij we méér informatie van een exoplaneet kunnen afleiden dan alleen de baanperiode, de massa en de afmeting. In principe kun je via polarimetrie iets achterhalen over de samenstelling van de atmosfeer van de exoplaneet. Nadeel is dat de metingen heel erg moeilijk zijn; het terrein is goeddeels onontgonnen.
Coronograafmethode. Een belangrijk probleem bij het rechtstreeks kunnen zien van een exoplaneet is het grote helderheidsverschil tussen de moederster en de planeet. Het is alsof je van grote afstand een vuurvliegje wilt zien vlak naast een brandend vuurtorenlicht. De gloed van de planeet raakt volkomen overstraald door de ster. Eigenlijk zou je de ster willen 'uit'zetten.
Lees meerIn principe kan dat door het principe toe te passen van de coronograaf. Die wordt bij zonneonderzoek gebruikt en dekt het zonneschijfje in de telescoop precies af, waardoor de ijle buitenatmosfeer van de zon, de corona, zichtbaar wordt. NASA werkt aan coronografen waarmee 'beeldjes' van sterren kunnen worden afgedekt.
Nullingmethode. Ook dit is een methode die misschien in de toekomst kan worden gebruikt. Net als bij de coronograafmethode probeert de nullingmethode van het licht van de moederster af te komen. Niet door het af te dekken maar door het 'zichzelf' te laten wegwerken.
Lees meerDat kan met behulp van interferometrie. De ster wordt waargenomen door twee telescopen. Voordat beide signalen bij elkaar worden gebracht, wordt het signaal van een van de telescopen zodanig vertraagd dat het een halve golflengte later in de signaalmixer komt. Het gevolg is dat het signaal van de ene telescoop dat van de andere precies opheft. In het beeldveld blijven de overige bronnen, waaronder de exoplaneet, dan wel te zien. De methode is in de praktijk lastig te realiseren, maar vermoedelijk erg effectief.

Belangrijkste resultaten

Exoplaneten bestaan. Sterker nog, ze schijnen heel algemeen voor te komen bij sterren die een beetje op de zon lijken. Maar er zijn ook bizarre situaties aangetroffen. De eerste exoplaneten worden via de pulsarmethode aangetroffen bij enkele pulsars. Er is zelfs een drievoudig systeem ontdekt waarbij een van de planeten veel lichter is dan de aarde. Hoe zo’n stelsel de supernova-explosie die aan de vorming van de pulsar vooraf gaat heeft overleefd, is onduidelijk. In 1995 ontdekt men de eerste exoplaneet, met de dopplermethode, bij de ster 51 Pegasi, een ster die op een heldere avond buiten de stad nog net met het blote oog kan worden gezien. De (gas)planeet raast op 7,5 miljoen kilometer afstand van zijn zonachtige moederster en voltooit een omloop in iets meer dan vier dagen. Een daverende verrassing en tegelijkertijd een ontdekking die alleen maar vragen oproept. Hoe komt zo’n planeet zo dicht bij zijn ster te staan?

Verreweg de meeste van de nu gevonden exoplaneten zijn ontdekt met de dopplermethode, de astrometrische methode en via eclipsen. Het aantal onafhankelijk bevestigde gevallen stijgt snel en nadert de 1000. Heel veel van de gevonden planeten blijken in een paar dagen om hun ster de draaien. Ze staan dus dicht bij hun moederster en zijn daarom ook heet. Maar dat is een selectie-effect omdat je na kort waarnemen dergelijke gevallen als eerste ziet. Evenzo hebben veel exoplaneten die we zien een massa groter dan die van Jupiter. Ook dat is een selectie-effect omdat de drie genoemde methoden juist het meest gevoelig zijn voor zware planeten die vlak bij hun ster staan. Ze ‘bevoordelen’ de ontdekking van ‘hete-Jupiters’. Er is nog weinig te zeggen over hoe het ‘gemiddelde’ planetenstelsel er in werkelijkheid uitziet. Toch is al wel duidelijk dat planeetvorming een vaak voorkomend bijeffect is van stervorming, althans in ieder geval voor sterren die een beetje op de zon lijken. Bovendien, hoe beperkt de methoden op dit moment ook zijn, er zijn inmiddels al enkele tientallen sterren ontdekt waar twee of meer planeten omheen draaien. En wat ook duidelijk is, is dat ons eigen planetenstelsel niet maatgevend is voor andere gevallen.

Verder valt op dat geautomatiseerde projecten om exoplaneten te ontdekken steeds meer gebruikmaken van ruimtemissies. Grote aardse telescopen worden dan ingezet om de ontdekking van een kandidaat-planeet te bevestigen (of niet) en vervolgwaarnemingen te doen.

Voortgezet onderzoek

De belangrijkste ruimtemissies die zich geheel of gedeeltelijk richten op het ontdekken en karakteriseren van exoplaneten zijn de volgende.

NASA’s Kepler-missie, gelanceerd op 7 maart 2009. Deze satelliet ontdekt exoplaneten via de eclipsmethode. Vanuit een baan om de aarde kijkt de telescoop vrijwel continu naar een gebied in de richting van het grensgebied tussen de sterrenbeelden Lier en Zwaan. In het beeldveld van de telescoop met een opeming van 95 centimeter wordt de helderheid gemeten van meer dan 100 000 gewone sterren die, net als de zon, in het stadium verkeren waarbij waterstof tot helium wordt verbrand.
Lees meer: Kepler-waarnemingen.De sterren hebben aan de hemel een helderheid tussen de 9e en de 16e magnitude; het gaat dus om sterren die veel te lichtzwak zijn om met het blote oog te kunnen zien. De satelliet is onder andere ontworpen om aardachtige planeten te kunnen ontdekken. Als zo’n planeet voor zijn ster langstrekt wordt de helderheid van de ster ongeveer 1/10 000-ste minder, gedurende 1 tot 16 uur. Als zo’n afname regelmatig in de tijd wordt gezien kan er sprake zijn van een exoplaneet. De missie duurt minstens 3,5 jaar en kan worden verlengd. NASA hoopt enkele tientallen aardachtige planeten te ontdekken die in circa een jaar om hun ster draaien. Daarnaast zullen natuurlijk ook hete-Jupiters worden ontdekt. Tot nu toe zijn een kleine twee dozijn planeten ontdekt, maar nog geen aardachtige planeten. Maar er zijn nog ruim 1200 planeet-kandidaten gevonden die met aardse telescopen, of de Hubble ruimtetelescoop, nog nader moeten worden onderzocht.
CNES / ESA’s COROT-missie, gelanceerd op 27 december 2006. Deze missie is primair ontworpen om naar kleine lichtvariaties in sterren te kijken. Zulke korte lichtwisselingen bevatten aanwijzingen voor de rotatie van die sterren, wanneer ‘stervlekken’ in en uit beeld draaien. Ook het ontstaan en verdwijnen van stervlekken, als gevolg van de magnetische activiteit in de sterren en het stijgen en dalen van gasmassa’s, is uit deze metingen af te leiden. Maar als ‘bijproduct’ kan de satelliet ook kijken naar exoplaneten via de eclipsmethode en de lensmethode. Vandaar de naam: COnvection, ROtation and planetary Transits.
Lees meer: COROT-waarnemingenDe missie wordt ten minste voortgezet tot eind 2013. Met COROT, voorzien van een telescoop met een opening van 27 centimeter, zijn ruim twee dozijn exoplaneten ontdekt maar er zijn nog ruim 400 kandidaat-exoplaneten waarvan het proces loopt om na te gaan of het inderdaad een planeet betreft of niet. Het is de bedoeling dat COROT uiteindelijk zo’n 200.000 sterren onderzoekt op het bestaan van eclipserende exoplaneten.
Canada’s MOST-missie, gelanceerd op 30 juni 2003. Deze microsatelliet kijkt naar microvariaties en oscillaties van sterren met behulp van een telescoopje met een opening van 15 centimeter. De missie heeft, wat exoplaneten betreft, een 40-tal kandidaten opgeleverd die op bevestiging wachten.
NASA / ESA’s Hubble Space Telescope, gelanceerd op 24 april 1990. Net als grote aardse telescopen wordt de Hubble-telescoop gebruikt om kandidaat-exoplaneten nader te onderzoeken. En op die manier bij te dragen aan het bevestigen (of niet) van het feit dat het inderdaad om een exoplaneet gaat. Dan kan bijvoorbeeld door directe waarnemingen, in zichtbaar licht of infrarood, als het gaat om planeten die zich op grotere afstand van hun ster bevinden.
NASA’s Spitzer-telescoop, gelanceerd op 25 augustus 2003. Dit infrarood-observatorium wordt onder andere gebruikt om stofschijven rond sterren op te sporen maan is ook geschikt om van grote, hete Jupiters enkele kenmerken van de atmosfeer te meten.
Verschillende grote telescopen op aarde worden ingezet bij diverse programma’s om exoplaneten op te sporen, of hun bestaan te bevestigen. Met name via het combineren van twee of meer telescopen via interferometrie ontstaat de mogelijkheid om het licht van de moederster ‘uit te schakelen’ zodat het zwakke reflectielicht van de exoplaneet of exoplaneten overblijft. Dergelijke technieken worden nu of in de nabije toekomst toegepast bij de Keck Telescope, de Large Binocular Telescope en de European Southern Observatory Very Large Telescope (VLT).

Toekomstige ruimtemissies waarmee exoplaneten kunnen worden onderzocht zijn onder andere:

NASA’s James Webb Space Telescope (JWST), waarschijnlijk te lanceren tegen 2018. Deze infrarood-telescoop is voorzien van een spiegel met een diameter van 6,5 meter. Hij zal in staat zijn om exoplaneten in het infrarood in beeld te brengen en spectra op te nemen. Daarmee ontstaat een idee over de aard en samenstelling van de atmosfeer van deze planeten.
ESA’s GAIA-missie, te lanceren in 2013. Het hoofddoel van deze missie is om sterposities van bijna een miljard sterren op te nemen. Als ‘bijproduct’ zal GAIA ook via de astrometriemethode de kleine periodieke positie-veranderingen zien die exoplaneten veroorzaken bij hun moederster. Dat zal vooral kunnen bij sterren die relatief dichtbij staan, tot zo’n 650 lichtjaar. Alleen al voor de zonachtige sterren wordt het aantal exoplaneten binnen dat gebied geschat op 300 000 en dus verwachten onderzoekers dat GAIA er duizenden zal opmerken.
NASA’s WFIRST-missie, te lanceren na 2020. Deze infraroodmissie, Wide Field Infrared Survey Telescope, zal als onderdeel van het uitgebreide wetenschappelijke programma via de lensmethode proberen om exoplaneten op te sporen.
Verder zullen grotere aardse telescopen worden ontwikkeld, zoals ESO’s E-ELT (European Extremely Large Telescope) die met een spiegeldiameter van 39 meter de grootste optische telescoop is die nu op de tekentafel staat. Naar verwachting zal de E-ELT ergens na 2022 in gebruik kunnen worden genomen. Met deze telescoop zal het mogelijk zich exoplaneten direct in beeld te brengen en spectra op te nemen van het licht dat ze weerkaatsen. In Amerika bestaan plannen voor de bouw van een dertig meter telescoop die op Hawaii zou moeten komen te staan.

In Nederland wordt onder andere bij SRON gewerkt aan het geschikt maken van nieuwe technieken die kunnen worden toegepast bij onder andere het onderzoek naar exoplaneten. Een van deze veelbelovende technieken is het gebruik van polarimetrie.