Zijn er planeten die gelijken op de aarde rond andere sterren? Understand article

Vertaald door Erik Crampe en Roland Van Kerschaver. Uffe Gråe Jørgensen beschrijft de zoektocht naar planeten die gelijken op de aarde rond andere sterren elders in de Melkweg.

Het ESO observatorium in La
Silla, Chili

Figuur met dank aan ESO

Ons melkwegstelsel bevat honderd miljard sterren. Veel daarvan gelijken helemaal op onze ster: de zon. Wil dat dan ook zeggen dat er miljoenen of miljarden gelijkaardige planeten als de aarde in ons melkwegstelsel zijn? Misschien zelfs met leven zoals het onze ? Tot nog toe slaagden astronomen er alleen in planeten waar te nemen die totaal anders zijn dan die in ons eigen zonnestelsel maar in augustus 2005 ontdekte onze groep de eerste planeet buiten ons zonnestelsel, die waarschijnlijk op dezelfde wijze gevormd werd en zich ontwikkelde als de aarde.

Wetenschappers geloven dat ons zonnestelsel ontstond uit een grote interstellaire wolk die 4,6 miljard jaar geleden inéénklapte. Uit het grootste deel van de wolk ontstond de zon maar omdat de wolk roteerde werd een kleiner deel ervan in een platte schijf van gas en stof samengedrukt rond de pas geboren zon. In het buitenste deel van de schijf ver weg van de zon en buiten de huidige baan van Jupiter was het koud genoeg om ijskristallen en sneeuwvlokken te vormen. Net zoals bij ons op een koude winterdag sneeuwde het daar maar wel gedurende miljoenen jaren. Botsende sneeuwvlokken en stofkorrels werden langzaam grote klompen vast materiaal, een beetje zoals vuile sneeuwballen. Op het ogenblik dat de klomp een massa verwierf van 15 keer die van de aarde sleurde de gravitatie ervan het omringende gas met zich mee: de klomp werd omgezet in een gigantische planeet met een vaste kern omringd door een reusachtige hoeveelheid samengeperst gas: we noemen dit een gasplaneet, zelfs al bezit ze een vaste kern bestaande uit ijs met kleine hoeveelheden steen en metaal erin. Jupiter, de grootste gasplaneet van ons zonnestelsel, bevat 300 keer de massa van de aarde, hoofdzakelijk in de vorm van samengeperst waterstof – en heliumgas.

In het binnenste deel van de schijf,dichter bij de zon, was het te warm om uit water sneeuw te vormen. In plaats daarvan bleef het water in de wolk, net zoals het water in de lucht blijft op een warme zomerdag. Alleen de zeer zeldzame stofdeeltjes bestaande uit steen en metaal konden vaste klompen vormen en daarom zijn de binnenste planeten Mercurius, Venus, Aarde en Mars ‘kleine’ stenen brokstukken (met een ijzeren kern) zoals we het kennen van de rotsachtige buitenkant van de aarde. Het ontbreken van sneeuw in het binnenste deel van de wolk belette er de ontwikkeling van enorme gasplaneten. De kleine waterhoeveelheid en de atmosfeer zoals wij die vandaag kennen ontstonden later op aarde (op een zeer complexe wijze die nog steeds onderwerp is van debat onder wetenschappers) maar betekent niets in vergelijking met de enorme massa’s gas van Jupiter en de andere gasplaneten.

Daarom was het een des te grotere verrassing toen in 1995 rond een andere ster de eerste planeet ontdekt werd die een gigantische gasplaneet bleek te zijn in een kleine baan. Op het eerste zicht was de ontdekking van deze planeet (51 Pegasi b) in scherpe tegenspraak met ons begrip over het ontstaan van planeetsystemen zoals wij het kenden uit de studie van ons zonnestelsel: grote gasplaneten in de buitenste banen en kleine aardeachtige planeten in de binnenste. De gebruikte methode om planeten te vinden (zie verder) was juist de geschikte voor zulke ‘vreemde’ planeten.

Nu wordt algemeen aangenomen dat deze grote gasplaneten op dezelfde manier ontstonden als Jupiter en Saturnus, maar dan langzaam inwaarts afdreven naar de ster waarrond zij cirkelden. Indien Jupiter zich zo had gedragen in ons zonnestelsel zou ze waarschijnlijk onze kleine aarde verzwolgen hebben toen ze ons voorbijstak en er zou nu geen aarde geweest zijn. Maar alle planetenbanen in ons zonnestelsel zijn uiterst stabiel. Wij weten niet of deze stabiliteit normaal is voor planetaire systemen of uniek voor ons zonnestelsel. Zonder deze stabiliteit zouden de omstandigheden in ons stelsel waarschijnlijk te drastisch en te dikwijls veranderd zijn om ons kwetsbaar bestaan te overleven. Zo zorgde de stabiliteit van de buitenste planeten ervoor dat duizenden miljarden kometen verwijderd werden vanuit het binnenste van het zonnestelsel kort na de vorming van de aarde. Indien zij nu nog in de buurt waren zouden regelmatige botsingen ermee onze atmosfeer verwijderd hebben en de oceanen verdampt en zo verhinderd hebben dat het leven er vaste voet verwierf. Waarschijnlijk bestaan wij juist in ons zonnestelsel omdat het de enige plaats is in het heelal waar het leven zich kan handhaven en ontwikkelen over biologische tijdschalen (d.w.z. over miljarden jaren).

We vergelijken de banen van
Mercurius, Venus en Aarde
met de baan van 51 Pegasi b,
de eerste ontdekte
exoplaneet

Als een planeet draait rond een andere ster dan de zon spreken we over een extrazonneplaneet of een exoplaneet. Sinds 1995 hebben wetenschappers bijna 200 exoplaneten ontdekt. De meeste, ook de eerste, werden ontdekt door gebruik te maken van de techniek van de radiale snelheid, die zoekt naar verschuivingen van de spectraallijnen van de ster en die het gevoeligst is bij zeer grote planeten in kleine banen.(Dopplereffect) .De meeste andere technieken voor het opsporen van exoplaneten zijn hoofdzakelijk geschikt voor planeten die totaal anders zijn dan die in ons zonnestelsel. Daarom gaat het vinden van vooral vreemde planeten nog steeds door: we vinden grote gasplaneten in kleine banen waar ze niet kunnen ontstaan zijn of kleine vaste planeten in ultra kleine banen waar ze niet gevormd werden of extreem grote en heldere planeten in extreem grote banen rond zeer kleine sterren en zo voort. Maar dat betekent daarom niet noodzakelijk dat aardeachtige planeten zeldzaam zijn in het heelal. We moeten ze opsporen met andere methodes. De voornaamste moeilijkheid bij het detecteren van exoplaneten van het type aarde rond ver verwijderde sterren is dat de aarde zo klein is (zodat het licht ervan verduisterd wordt door het licht van de centrale ster)en dat ze t.z.t. bewegen in een relatief grote baan (zodat de centrale ster een heel lange tijd moet geobserveerd worden vooraleer enige periodieke beweging waargenomen wordt).

Gedurende enkele jaren hield onze groep zich bezig met aan de uitwerking van de microlensmethode, die speciaal geschikt is voor planeten met een gelijkaardige baan als de aarde en een even kleine massa. Als een eerste ster bijna juist voor een andere ster passeert zal het gravitatieveld van de eerste ster het licht van de ster op de achtergrond doen afbuigen. De ster op de voorgrond zal dan dienst doen als een vergrotende lens (vergrootglas)die ervoor zorgt dat het licht van de achtergrondster ons bereikt vanuit verschillende richtingen. Hierbij lijkt het licht ervan ook versterkt te worden. Als de voorgrondster alleen is d.w.z. als er geen planeet rond beweegt is het gravitatieveld ervan symmetrisch en de helderheid van de achtergrondster zal eerst vermeerderen als de sterren elkaar naderen en dan verminderen als de sterren weer uitééngaan. In dat geval is de lichtkromme symmetrisch in de tijd. Als de voorgrondster echter omcirkeld wordt door een planeet zal het gravitatieveld asymmetrisch zijn. De helderheid van de achtergrondster zal dan op een andere wijze verminderen dan de wijze waarop ze vermeerdert: de lichtkromme zal asymmetrisch zijn. Naar deze asymmetrieën gaan we op zoek. De voorgrondster is een ster van het type kleiner dan de zon (omdat er eenvoudig weg het meest zulke sterren zijn in ons melkwegstelsel)en de achtergrondster zal een koude, rode reuzenster zijn (gemakkelijk op te merken omdat ze zeer helder zijn).

Verklaring van de
microlensmethode

Figuur met dank aan Knight
Ridder / Tribune Information
Services

Aan het Las Campanas observatorium in Chili controleert een Pools team met de naam OGLEw1 ongeveer 100 miljoen sterren en verwittigt de wetenschappelijke gemeenschap als een ster zich gedraagt als microlens. In een samenwerking tussen telescopen van de Europese organisatie voor astronomisch onderzoek van het zuidelijke halfrond (ESO) in Australië en Zuid-Afrika hebben we de PLANETw2-groep gevormd, die de beste van de OGLE waarnemingen opvangt gedurende 24 uur per dag.

In de meest kritieke fases observeren we een ster om de paar minuten. Zo hebben we de lichtkrommen van 200 microlensgebeurtenissen opgenomen gedurende de laatste drie jaar. Uit de talrijke lichtcurven die geen signalen van planeten vertoonden, besloten we dat Jupiter-Saturnus-achtige planeten (d.w.z. grote gasplaneten) in Jupiter-Saturnus-achtige banen (dus grote banen) zeldzaam zijn in ons melkwegstelsel. M.a.w. de soort planeten die ons eigen zonnestelsel stabiliseerden over biologische tijdschalen lijken weinig voor te komen in ons heelal: een aanwijzing voor de kans op het vinden van leven als het onze, ergens in ons melkwegstelsel.

Exoplaneet OB05390
Figuur met dank aan ESO

Op 9 augustus 2005 echter vond de Deense telescoop aan het ESO observatorium van La Silla in Chili de eerste tekens van een asymmetrische lichtcurve die wij zochten en die de aanwezigheid van een planeet suggereerde.
Wij verwittigden onmiddellijk onze medewerkers zowel binnen als buiten ons team en gedurende de volgende 6 uur bevestigden 4 telescopen in Chili, Nieuw Zeeland en Australië de aard van de afwijking. Na 3 maanden intens modelleren van de lichtkromme waren we uiteindelijk overtuigd dat we het signaal gezien hadden van de kleinste exoplaneet ooit geobserveerd en in januari 2006 maakten wij de ontdekking bekend in Nature (Beaulieu et al., 2006).

De nieuwe planeet draagt de naam OGLE-2005-BLG-390LB of kort OB 05390.Ze bezit een massa van 5 maal die van de aarde (ze is dus meer aardeachtig dan Mars met slechts één tiende van de aardmassa) en wentelt rond een ster op 22000 lichtjaar verwijderd in een baan met 3 maal de grootte van de aardbaan. Hiermee wordt ze de enigste exoplaneet die volgens de theorie bestaat uit vast rotsgesteente zoals de aarde en draait rond een ster op een afstand waar ze ook ontstond. Het kan het eerste extrasolaire stelsel zijn waarin de planeten zich op stabiele banen bewegen en waar de omstandigheden voor leven stabiel zijn over biologische tijdschalen zoals in ons eigen zonnestelsel.
 

Recente ontwikkelingen over exoplaneten bij ESO

De ontdekking aan La Silla van een exoplaneet met 5 keer de aardmassa is de laatste prestatie in een lange reeks van doorbraken gemaakt met ESO-telescopen. Het ESO La Silla Paranal Observatorium met zijn grote instrumenten die de Very Large Telescope (Pierce-Price, 2006) uitmaken en de verschillende kleinere telescopen, is zeer goed uitgerust voor de studie van exoplaneten met instrumenten voor aangepaste optische beeldvorming, hoge resolutie spectroscopie en langdurige controle. Een lijst van de recentste verwezenlijkingen volgt hieronder.

2002: ontdekking van een stoffige en ondoorschijnende schijf waarin planeten gevormd of zich weldra zullen vormen rond een jonge ster van het type zon. De schijf gelijkt op die waaruit volgens de astronomen de aarde en de andere planeten van ons zonnestelsel ontstaan zijn. Meer details.

2004: bevestiging van het bestaan van een nieuwe klasse reuzenplaneten. Deze planeten staan uiterst dicht bij hun gaststerren, waarrond ze wentelen in minder dan 2 dagen. Daarom zijn ze zeer heet en opgezwollen. Meer details.

2004: ontdekking van de eerste mogelijke rotsachtige exoplaneet met 14 keer de aardmassa. Meer details.

2004: eerste beeld bekomen van een exoplaneet, die de weg aanwees voor een directere studie van exoplaneten. Voor meer details zie hier en hier.

2004: Ingredients for the formation of rocky planets discovered in the innermost regions of the proto-planetary discs around three young stars. This suggests that the formation of Earth-like planets may not be so unusual. More details.

2004: bestanddelen voor de vorming van rotsachtige exoplaneten ontdekt in de binnenste gebieden van protoplanetaire schijven rond drie jonge sterren. Dit wijst erop dat de vorming van aardeachtige planeten misschien niet zo ongewoon is. De schijf gelijkt op die waaruit volgens de astronomen de aarde en de andere planeten van ons zonnestelsel ontstaan zijn. Meer details.

2005: ontdekking van een planeet met massa vergelijkbaar met Neptunus rond een ster met kleinere massa, het meest voorkomende stertype in onze galaxie. Meer details.

2006: ontdekking van de kleinste bekende exoplaneet, met slechts een massa 5 keer die van de aarde (dit artikel). Meer details.

2006: waarneming van 3 Neptunus-achtige planeten, elk met een massa tussen 10 en 20 keer die van de aarde, rond een ster die eveneens een asteroïdengordel bezit. Van alle stelsel gelijkt dit stelsel het meest op ons zonnestelsel. Meer details.

2006: waarnemingen tonen aan dat sommige objecten met enkele keren de massa van Jupiter een schijf rond zich hebben en zich op dezelfde wijze tot sterren kunnen vormen. Het wordt dus veel moeilijker te definiëren wat een planeet precies is. Meer details.

Henri Boffin, ESO


References

Web References

Resources

Institutions

Author(s)

Uffe Gråe Jørgensen is Associate Professor aan het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, Denemarken


Review

Dit artikel verstrekt up-to-date informatie omtrent de ontwikkelingen op het gebied van de ontdekking van exoplaneten . Het levert details over de ontdekking van een nieuwe aardeachtige planeet die rond een ster wentelt op 22000 lichtjaar verwijderd, door gebruik te maken van een nieuwe techniek die de microlensmethode wordt genoemd. In plaats van het meten van verschuivingen in de spectraallijnen van een ster, zoals dat eerder gebruikelijk was, steunt deze techniek op de detectie van de asymmetrie in de gravitationele lenswerking van het licht van een ver verwijderde ster door het voorbijschuiven van een dichtere ster.

Het artikel is vooral interessant voor degenen die astronomie of relativiteit studeren of onderwijzen (als een toepassing op Einsteins ideeën over gravatielenzen) om hun kennis bij te werken of uit algemene interesse. Het artikel heeft zelf geen pedagogische inhoud. De duidelijke taal en het interessante onderwerp maken het geschikt als tekst voorzien van inzichtvragen zelfs voor groepen met lage leeftijd (vb. 15-16 jaar). Het artikel kan ook gebruikt worden voor gevorderde studenten als onderzoeksonderwerp.

Mark Robertson, Groot-Brittannië

License

CC-BY-NC-ND