Icon up Overzicht

Speurtocht naar planeten

Onderwerp: Astrofysica, Sterrenkunde

Al sinds het begin der tijden vraagt de mens zich af: “Zijn wij alleen?” Door de tijd heen heeft het antwoord op deze vraag alle mogelijke vormen aangenomen. De ene filosoof geloofde dat wij uniek waren en het eindproduct van een almachtige schepper. De ander geloofde dat er een oneindig aantal werelden waren en dat wij net zo alleen waren als een grassprietje in een grasveld.

Buitenaardse beschaving?

Voor duizenden jaren heeft de mensheid niks anders kunnen doen dan speculeren. Pas in de afgelopen eeuw, met de technische revolutie, is het mogelijk geworden om daadwerkelijk op zoek te gaan naar een antwoord. En in 1995 hadden we voor het eerst beet. Er werd een planeet ontdekt (en bevestigd) die rond een andere ster draaide. Nu betekent dat nog niet dat we al een andere beschaving hebben ontdekt. Maar de kans dat die zou bestaan neemt fors toe met de ontdekking dat er meer planeten zijn dan alleen die in ons zonnestelsel. Ondertussen zijn er al meer dan 150 planeten ontdekt die buiten ons zonnestelsel zijn (de zogenaamde exoplaneten). Nog steeds geen andere beschaving, maar één ding is wel duidelijk: het bestaan van een planetenstelsel komt veelvuldig voor.

Wat is een exoplaneet?

Als er aan een onderzoek wordt begonnen, gaat men zich eerst afvragen wát er wordt onderzocht. Op zich lijkt de definitie van een planeet wel helder genoeg. Een ster geeft licht, een planeet duidelijk niet. Een planeet draait om een ster.

Het lijken allemaal simpele criteria. Het blijkt echter dat ze helemaal niet zo simpel genomen mogen worden. Een planeet draait niet om een ster heen. De ster en de planeet draaien samen om een gezamenlijk middelpunt. En wanneer geeft een ster precies licht? Jupiter bijvoorbeeld straalt veel meer straling uit dan hij zou horen te kunnen als hij alleen van de zon reflecteert. Blijkbaar is er nog een interne bron van energie.

Interne bron van energie Deze energie blijkt te ontstaan door de wisselwerking tussen Jupiter en zijn vele manen. De manen ‘kneden’ Jupiter als het ware, waarbij er veel energie vrij komt.

We kunnen van een planeet spreken als een hemelobject kleiner is dan 12 keer de massa van Jupiter.

Om een goede definitie te geven van een exoplaneet gaan we terug naar het begin van de ster. Sterren ontstaan uit gaswolken. In het begin is er een gaswolk. Om de een of andere nog onduidelijke reden begint deze gaswolk op een bepaald moment onder zijn eigen zwaartekracht in te storten.

Door het momentum van de wolk komt alle materie terecht in een ronddraaiende schijf. In het midden van de schijf vormt het grootste gedeelte van het gas zich samen tot en bol. Een deel van het gas ligt echter te ver van deze bol vandaan. Dat gas wordt er niet meer dichterbij getrokken. Op deze plekken begint het gas zich ook weer samen te bollen (zie hier voor een simulatie).

Bereikt één van de bollen een massa die groter is dan 80 keer die van Jupiter, dan is er in de kern genoeg druk om kernfusie te laten optreden en in stand te houden. Een deel van de bollen zal echter nooit de 80 MJ halen. Wel heerst er in hun kernen genoeg druk om kernfusie te laten optreden. Deze kernfusie kan echter niet in stand worden gehouden. De bollen zijn hierdoor geen echte sterren, maar ze stralen wel. We noemen deze groep de bruine dwergen.

Kernfusie begint pas bij een druk die ontstaat wanneer de bol groter is dan 12 keer Jupiter. Alles hieronder kunnen we als een planeet zien. Met deze definitie van een planeet zijn de wetenschappers aan de slag gegaan om te onderzoeken. In een relatief korte periode zijn er al 6 methoden bedacht om planeten te kunnen waarnemen. Hieronder volgt een uiteenzetting welke methoden er zijn.

Pulsar Timing

Ontsaat van een pulsar. Een pulsar ontstaat wanneer een ster (tussen de 8 en de 25 keer zo groot) aan zijn einde komt. Wanneer de ster al zijn brandstof heeft verbruikt, stort hij in tot alles heel dicht bij elkaar zit. Dit noemen we een neutronenster. Een zwart gat ontstaat wanneer de ster nog zwaarder is.

Pulsars zijn de meest stabiele klokken in het universum. Hun frequentie is vele malen stabieler dan elke klok die wij op aarde maar kunnen fabriceren. Toch bleek er na veel onderzoek dat er in sommige pulsars een periodieke variatie in de frequentie zit. Het blijkt dat bij een van deze pulsars bovengenoemde variaties worden veroorzaakt door een planeet ter grootte van de aarde die rond de pulsar roteert. Hoe het komt dat een planeet rond een pulsar draait, is op dit moment nog een groot mysterie. Men vermoedt dat door de supernova alle planeten verdampt zouden zijn of weggeblazen. Wel is zeker aan te nemen dat deze planeet absoluut steriel is, daar zorgen de intense stralingsbundels van de pulsar voor.

Astrometrie

Stel je eens een nachtelijke hemel voor. De sterren aan deze hemel lijken onderling altijd op dezelfde plek te staan. Dit blijkt echter niet helemaal te kloppen. Een ster beweegt zelf ook een beetje ten opzichte van ‘de rest’, door de aanwezigheid van (zware) planeten. Door gedurende een lange periode elke keer eenzelfde gedeelte van de hemel te bekijken, en de onderlinge afstanden te vergelijken, kan de aanwezigheid van een planeet worden verraden.

Bij dit type detectie is er een probleem. Door trillingen in de atmosfeer is het moeilijk om een perfecte hemel te krijgen. De trillingen die door de planeten worden veroorzaakt zijn miniem, en elke trilling in de lucht kan dit al verstoren. Eigenlijk kunnen met deze methode alleen hele zware planeten, die bijna al bruine dwergen zijn, worden waargenomen.

Radial Velocity

Zoals al eerder was opgemerkt, hebben een ster en een planeet een gezamenlijk middelpunt waar ze omheen draaien. De astrometrie kijkt naar de verplaatsing van de ster aan de hemel, in plaats daarvan kijkt de radial velocity-methode naar de verplaatsing van de ster in onze richting. Het is mogelijk deze verplaatsing waar te nemen door het Dopplerprincipe. Hierbij zorgt de verplaatsing van de ster in onze richting voor een verschuiving van het spectra van de ster naar een hogere frequentie. De techniek die wij hier op aarde tot onze beschikking hebben, staat ons toe om dit zeer nauwkeurig te kunnen waarnemen. Deze techniek is dan ook de voornaamste methode om exoplaneten te kunnen waarnemen.

Transit

Een klein poosje terug bewoog de planeet Venus zich voor de zon langs. Toen dit gebeurde nam de hoeveelheid licht die de aarde bereikte tijdelijk af (Venus blokkeerde immers een deel van de zon). De transitmethode is op dit verschijnsel gebaseerd. Een exoplaneet beweegt zich voor een ster langs en hierbij neemt de intensiteit van de ster bij ons eventjes af. Als het om een planeet gaat, moet dit een periodiek verschijnsel zijn. Er kleven een paar grote nadelen aan deze techniek. Zo moeten we precies op het baanvlak kijken van de andere planeet, anders zien we nooit een ‘verduistering’. Ook zijn de fluctuaties extreem miniem, wat het niet makkelijker maakt om ze waar te nemen.

Microlensing

Een andere techniek om planeten te kunnen waarnemen is de microlensingtechniek. Licht wil ‘buigen’ rond objecten met genoeg massa. Bij de microlensingmethode wordt er gekeken naar een ster met daar vlak achter een tweede ster. Een plotselinge verplaatsing van het licht van die tweede ster zou doen vermoeden dat het licht wordt verbogen door een planeet.

Magnetische Planeten

De laatste methode is die van de magnetische bepaling. Eén van de meest opvallende eigenschappen van ons zonnestelsel (voor sterrenkundigen): alle planeten met een magnetisch veld – en dat zijn bijna alle in ons zonnestelsel – zenden radiostraling uit. Deze straling ontstaat wanneer de zonnewind botst met het magnetisch veld van deze planeten. Met voldoende goede antennes zou men de planeten als het ware moeten kunnen gaan ‘horen’.

Dit is een methode die op dit moment nog niet succesvol is toegepast. Maar daar brengt de komst van het LOFAR-radioantennesysteem verandering in. Men hoopt dat dit systeem (in ons eigen Nederland) waarnemingen kan doen die goed genoeg zijn om deze methode te kunnen waarnemen.

Conclusie

Al duizenden jaren vragen we ons af of we alleen zijn in dit universum. We hebben er nog geen definitief antwoord op. Wat we wel weten is dat planeten een veelvuldig voorkomende gebeurtenis zijn. En dat is al een stap dichter in de richting van een definitief antwoord.


● Over simulaties van het ontstaan van ster en planeten, kun je hier terecht.
● Klik hier voor het LOFAR-antennesysteem en zijn functies.