5000 exoplaneten in 30 jaar. Hoe is het zo gekomen?

Deze week werd de vonst van de 5000ste planeet buiten ons zonnestelsel bevestigd. 5000 exoplaneten dus in 30 jaar.

Het begon allemaal met de vonst van een planeet rond de pulsar PSR B1257+12 in 1992. Radiosignalen van pulsars werden opgevangen tijdens hun rotatie. Kleine afwijkingen van die radiopulsen wezen op een object in een baan rond de pulsar. Later bleken er zelfs nog twee planeten rond PSR B1257+12 te draaien. De planeten van PSR B1257+12 hebben inmiddels namen gekregen uit de Noorse mythologie: Draugr, Poltergeist en Phobetor. Verrassend genoeg was deze eerst gevonden exoplaneet niet eens heel groot. Draugr heeft twee keer de massa van de maan. Dat geeft wel aan hoe nauwkeurig deze methode is.

Een “filmposter” van PRS B1257-12 (Afbeelding: NASA/JPL-CalTech)

Planeten rond een pulsar zijn interessant, maar er werd natuurlijk gezocht naar een exoplaneet rond een “gewone” ster. Dat is niet eenvoudig. Het licht van een ster overstraalt gewoonlijk een miljard maal het licht dat een exoplaneet reflecteert. Directe waarneming was aanvankelijk uitgesloten. Maar bij het Observatoire de Haute-Provence hadden twee astronomen, Michel Mayor en Didier Queloz, een ander idee. Een grote exoplaneet die rond een ster draait, zorgt ervoor dat de ster, van de aarde af gezien, enigszins versneld of vertraagd wordt. Een gevoelige spectrometer zou die kleine roodverschuiving kunnen meten.

Zo werd in 1995 een gigantische exoplaneet gevonden rond de ster 51 Pegasi. In 2019 kregen Mayor en Queloz de Nobelprijs voor Natuurkunde voor deze ontdekking. Maar het was slechts het begin. In het begin werden zeer grote exoplaneten gevonden die zeer dicht op hun ster draaiden. Dat was niet zo gek: ze leverden het sterkste signaal en snelle mogelijkheden om de waarneming te herhalen.

Transit methode

Het aantal gevonden exoplaneten liep pas echt flink op met de komst van ruimtetelescopen die op zoek naar exoplaneten gingen. Die maakten gebruik van de transit methode (ofwel transitiefotometrie). Deze methode meet simpelweg de minimale uitdoving van de ster door de (ten opzichte van het observatorium) langs trekkende planeet. Over die ruimtetelescopen zo meer.

Directe waarneming

Zoals eerder gezegd is het bijzonder lastig om exoplaneten direct waar te nemen, omdat het licht van de ster zo ontzettend veel feller is dan het licht dat een exoplaneet reflecteert. De beste kans om toch exoplaneten direct waar te nemen, is als de exoplaneet groot is, veel licht reflecteert en niet te dicht op zijn – niet al te felle – ster draait. Diverse observatoria zijn bovendien uitgerust met coronagrafen die het licht van de ster blokkeren. Op deze manier zijn tientallen planeten in beeld gebracht.

Het stelsel van HR 8799, gefotografeerd over meerdere jaren met het Keck observatorium (Animatie: Jason Wang (Caltech)/Christian Marois (NRC Herzberg))

Andere detectiemethoden

Sommige exoplaneten worden gevonden door gravitationele microlensing. Als een planeet voor een verre ster trekt, wordt het licht van die ster gebogen en tijdelijk gefocust. Het is alleen jammer dat dergelijke waarnemingen meestal maar een keer gedaan kunnen worden. Met gravitationele microlensing zijn wel diverse solitaire planeten (“rogue planets”) gevonden. Dat zijn planeten die uit hun baan rond hun ster geschoten zijn en nu door de kosmos reizen. Interstellaire planeten dus. Schattingen hoeveel solitaire planeten er zijn, lopen uiteen. Sommigen gaan uit van 100.000 maal het aantal sterren in de Melkweg.

Vorig jaar werd bekend gemaakt dat er een mogelijke exoplaneet was gevonden in sterrenstelsel M51. Een röntgenbron (neutronenster of zwart gat) werd meerdere keren bedekt door een mogelijke planeet. De detectie werd gedaan met NASA’s röntgentelescoop Chandra. De vondst was moeilijk te bevestigen. Afgezien hiervan is het met de huidige technologie niet mogelijk om exoplaneten in een ander sterrenstelsel te vinden.

Nog een opmerkelijke methode voor het vinden van exoplaneten is het signaal dat aurora’s geven in het radio spectrum. Die vondst werd gedaan door het Nederlandse ASTRON geleide Low-Frequency Array (LOFAR). Elektronen die stromen tussen een exoplaneet en een ster, kunnen soms signalen veroorzaken die als een soort radio-laser onze kant uit stralen.

Ruimtetelescopen op zoek naar exoplaneten

De eerste (grotere) ruimtetelescoop die speciaal op zoek ging naar exoplaneten, was de Franse CoRoT in 2006 (de allereerste exoplaneneten ruimtetelescoop was de 53 kg zware Canadese MOST). In het begin waren veruit de meeste gevonden exoplaneten zogenaamde “hete Jupiters”: grote planeten die in enkele dagen rond hun ster rond draaien. De droom was om planeten ter grootte van de Aarde te vinden. De Kepler ruimtetelescoop, die in 2009 gelanceerd werd, werd daartoe in staat geacht. Kepler werd lange tijd gericht op een klein gebied van de sterrenhemel (een deel van de Melkweg bij sterrenbeeld Zwaan), om zo transities over langere tijd te kunnen detecteren. Het was een succes. Inmiddels heeft Kepler 2709 bevestigde exoplaneten gevonden en er zijn nog 2057 kandidaten.

De Kepler ruimtetelescoop (Afbeelding: NASA Ames/ W Stenzel)

Aardachtig

Onder die bevestigde exoplaneten werden ook enkele “aardachtige” planeten gevonden. Wat is “aardachtig”? Even groot en zwaar als de aarde is een criterium. En een baan in de “bewoonbare zone” van zijn ster is een ander. De exoplaneet die het dichtst in de buurt van “aardachtig” komt, is volgens NASA, Kepler-452b. Deze planeet is 60% groter dan de aarde, rotsachtig en bevindt zich in de potentieel leefbare zone rond zijn ster. Deze ster is, net als onze zon, van het G-type. De zwaartekracht is er wel ongeveer twee keer zo groot als die van de aarde. Dus een eventuele beschaving daar zal veel moeite hebben om een ruimtevaartprogramma te ontwikkelen.

Het meest interessante “zonnestelsel” werd niet door Kepler gevonden, maar met het Belgische Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope-South (TRAPPIST-South) observatorium in Chili. Hiermee werden rond de ster TRAPPIST-1 maar liefst 7 aard-achtige exoplaneten gevonden rond een rode dwerg, waarvan 3 in de potentieel leefbare zone. Het is een zonnestelsel op kleine schaal. Waarnemers van de ene planeet in het TRAPPIST-1 zonnestelsel zullen het oppervlak van nabijgelegen planeten van tijd tot tijd goed met het blote oog kunnen zien.

Het TRAPPIST-1 stelsel (Afbeelding: NASA/JPL-Caltech)

Kepler had een klein stuk van de sterrenhemel in de gaten gehouden. NASA’s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) werd in 2018 gelanceerd om in 85% van de sterrenhemel te speuren naar planeten. TESS richt zich daarvoor steeds 27 dagen op een segment van de sterrenhemel met zijn 4 breedveld CCD camera’s. Inmiddels is TESS in zijn extended mission en daarmee worden dezelfde delen van de sterrenhemel opnieuw in beeld gebracht. TESS heeft tot nu toe 203 bevestigde exoplaneten gevonden, maar er zijn nog 3675 kandidaten die nader onderzocht moeten worden.

Het regent er ijzer. Of magma.

Uiteraard zijn er zeer extreme exoplaneten gevonden. Zo draait de planeet WASP-76b zo dicht rond zijn ster dat het er zeer heet is. Hoe heet? 2400 graden Celsius. Het regent er ijzer. Vloeibaar ijzer dus.

Op exoplaneet K2-141b (K2 was een vervolgmissie van de Kepler telescoop) regent het magma. Een kant van deze planeet is altijd gericht op zijn ster. De temperatuur is er rond de 3000 graden. Genoeg om rots te doen verdampen. Maar aan de andere zijde is het er juist zeer koud: -200 graden. Dus het zou kunnen dat rots dat verdampt aan de “zonzijde” regent aan de “nachtzijde”.

Dat is niet eens de heetste exoplaneet. Er zijn hete Jupiters zoals KELT-9b waar het kwik tot rond 10.000 graden stijgt. Kelvin of Celsius, dat doet er dan niet zo erg meer toe. Een “jaar” op deze planeet duurt anderhalve dag.

Vervolgonderzoek

In 2019 werd een ruimtetelescoop van ESA gelanceerd, niet zozeer om exoplaneten te vinden, als wel om ze nader te bestuderen. De CHEOPS ruimtetelescoop bestudeert sterren met bekende exoplaneten, om de massa, dichtheid en samenstelling van die planeten nauwkeuriger vaststellen. Daarbij kunnen ook nieuwe exoplaneten in hetzelfde stelsel gevonden worden.

Uiteraard wordt ook veel verwacht van de James Webb Space Telescope m.b.t. onderzoek aan exoplaneten. JWST is wellicht in staat om aanwijzingen van leven en heel misschien beschavingen te vinden. De kans op dat laatste is waarschijnlijk klein, maar het zou in principe kunnen dat JWST niet natuurlijke stoffen als CFK’s in de atmosfeer van planeten vindt.

Toekomst

De Europese ruimtevaartorganisatie ESA werkt aan een nieuwe exoplanetenjager, de PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) ruimtetelescoop, die in 2026 gelanceerd moet worden. PLATO moet rotsachtige planeten gaan opsporen rond sterren zoals onze zon en rode dwergen. PLATO gaat hiervoor metingen aan ongeveer 1 miljoen sterren doen met 24 camera’s.

De PLATO ruimtetelescoop (Afbeelding: ESA)

ESA’s Ariel telescoop is een ruimtetelescoop die metingen aan atmosferen van bekende exoplaneten gaat doen. Ariel moet in 2029 gelanceerd worden.

Wat hebben we gevonden?

5000 exoplaneten is een aardige dataset waar we al wat statistiek op kunnen doen, alhoewel het soort observatie en observatorium een duidelijke invloed heeft op deze statistiek. Veruit de meeste gevonden en bevestigde exoplaneten zijn super-aardes (31%) en Neptunus-achtigen (35%). Tussen die categoriën zit een opvallend gat van ongeveer 3 keer de grootte van de aarde. Daarvan komen er erg weinig voor. Gedacht wordt dat bij die grootte zulke druk in de atmosfeer ontstaat dat de atmosfeer geabsorbeerd wordt door magma oceanen. Slechts 4% zijn rots-achtige planeten zoals die van ons.

Verdeling van bevestigde exoplaneten. (Afbeelding: NASA/JPL-Caltech)

Zelf op zoek of zelf de data bekijken

Je kunt zelf de astronomie helpen door op zoek te gaan naar exoplaneten. Op de site Zooniverse kun je meedoen met Planet Hunters. Daar staat data van TESS en iedereen kan helpen mogelijke transities van exoplaneten daarin te vinden.

Up-to-date gegevens van exoplaneten (bevestigd en kandidaten) kunnen bekeken en gedownload worden van NASA’s Exoplanet Archive en Euplanet.eu.