Exoplaneten: planeten rond andere sterren dan de zon
Een exoplaneet is een planeet die niet om onze zon draait, maar om een andere ster, ergens anders in de Melkweg. Tot begin jaren negentig van de vorige eeuw was dit puur theorie: astronomen gingen ervan uit dat er wel planeten om andere sterren zouden draaien, maar niemand had er ooit een gezien. Inmiddels zijn er meer dan vijfduizend bevestigd, en de teller loopt nog steeds op.
Vergelijk het met een vuurtoren op een verre kust, gezien vanaf een schip in volle zee. De vuurtoren zelf is nog wel te zien als een lichtpuntje, maar een mug die er vlak voor vliegt, valt onmogelijk waar te nemen met het blote oog. Zo verhoudt een planeet zich tot de ster waar hij omheen draait: de ster is een fel stralend object, de planeet een piepklein, donker bolletje ernaast dat volledig overstraald wordt. Toch hebben astronomen slimme trucs bedacht om die 'mug' toch te ontdekken, en dat is precies waar exoplaneetonderzoek om draait.
Wat is het precies?
Omdat een planeet zelf geen licht uitzendt, kunnen sterrenkundigen hem meestal niet rechtstreeks fotograferen. In plaats daarvan zoeken ze naar indirecte sporen die een planeet achterlaat in het licht van zijn ster. De twee belangrijkste methoden zijn de transitmethode en de radiële-snelheidsmethode.
Bij de transitmethode meet een telescoop heel nauwkeurig de helderheid van een ster, jarenlang, dag en nacht. Als er een planeet vlak voor die ster langs beweegt (gezien vanaf de aarde), dooft het sterlicht heel even een klein beetje, vaak minder dan een procent. Door dat periodieke dipje in helderheid te herkennen, kunnen onderzoekers afleiden hoe groot de planeet is en hoe lang zijn baan duurt. De Amerikaanse ruimtetelescoop Kepler (2009-2018) heeft op deze manier duizenden planeten ontdekt.
Bij de radiële-snelheidsmethode kijkt men niet naar licht, maar naar een heel subtiele wiebel in de beweging van de ster zelf. Een planeet trekt namelijk ook aan zijn ster, net zoals de ster aan de planeet trekt. Die wederzijdse aantrekking zorgt ervoor dat de ster in een heel klein cirkeltje beweegt. Met spectroscopie, het ontleden van sterlicht in kleuren, kan die beweging worden gemeten via een verschuiving die lijkt op het dopplereffect van een voorbijrijdende ambulance.
Twee minder gangbare, maar krachtige technieken zijn directe beeldvorming, waarbij het sterlicht met speciale filters wordt weggemaskeerd zodat de veel zwakkere planeet zichtbaar wordt, en microlensing, waarbij de zwaartekracht van een ster-planeetsysteem het licht van een nog verdere ster tijdelijk versterkt als een soort natuurlijke lens. Elke methode heeft zijn eigen sterke en zwakke punten; vaak worden ze gecombineerd om een ontdekking te bevestigen en meer te weten te komen over massa, straal en samenstelling van een planeet.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter exoplaneetonderzoek is deels heel praktisch en deels filosofisch. Praktisch: door duizenden planetenstelsels te bestuderen, leren astronomen hoe planeten in het algemeen ontstaan en evolueren, en hoe uniek (of juist niet) ons eigen zonnestelsel is. Filosofisch: het raakt aan een van de oudste vragen van de mensheid, namelijk of er leven bestaat buiten de aarde.
Een centraal begrip daarbij is de 'bewoonbare zone', ook wel de gordijltjeszone genoemd: het gebied rond een ster waar de temperatuur zodanig is dat water op het oppervlak van een planeet vloeibaar zou kunnen blijven, niet bevroren en niet verdampt. Vloeibaar water wordt beschouwd als een belangrijke, zij het niet absolute, voorwaarde voor leven zoals wij dat kennen. Het vinden van een rotsachtige planeet in die zone, met een atmosfeer die op de een of andere manier wijst op biologische activiteit, geldt als een van de heilige grallen van de sterrenkunde.
Daarnaast is er puur wetenschappelijke nieuwsgierigheid naar de extreme verscheidenheid aan planeten die al is gevonden: hete gasreuzen die dichter bij hun ster staan dan Mercurius bij de zon, planeten die om twee sterren tegelijk draaien, en werelden die mogelijk volledig met water bedekt zijn. Die variatie dwingt astronomen om hun modellen van planeetvorming voortdurend bij te stellen.
Voorbeelden uit de praktijk
51 Pegasi b (1995). De Zwitserse astronomen Michel Mayor en Didier Queloz ontdekten deze gasreus rond een zonachtige ster, de eerste bevestigde exoplaneet rond een gewone ster. Voor deze doorbraak kregen zij in 2019 de Nobelprijs voor natuurkunde.
Kepler-missie (2009-2018). Deze NASA-ruimtetelescoop staarde jarenlang naar één stukje hemel en ontdekte meer dan tweeduizend planeten via de transitmethode, waaronder tientallen rotsachtige planeten in bewoonbare zones.
TRAPPIST-1-systeem (ontdekt 2016-2017). Rond deze koele, kleine dwergster op ruim veertig lichtjaar afstand draaien zeven planeten van ongeveer aardse grootte, waarvan er meerdere zich in of nabij de bewoonbare zone bevinden. Het is een van de meest bestudeerde stelsels omdat het zoveel potentieel interessante planeten dicht bij elkaar herbergt.
Proxima Centauri b (2016). Deze planeet draait om de dichtstbijzijnde ster bij de zon, op zo'n 4,2 lichtjaar afstand, en ligt binnen de bewoonbare zone van die ster. Juist vanwege de nabijheid is dit een veelbesproken doelwit voor toekomstig, gedetailleerder onderzoek.
James Webb-ruimtetelescoop (vanaf 2022). Deze telescoop van NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie CSA analyseert het licht dat door de atmosfeer van exoplaneten schijnt tijdens een transit, en kan daarin moleculen als waterdamp, kooldioxide en methaan herkennen. Zo is bijvoorbeeld de atmosfeer van de gasreus WASP-39b in detail in kaart gebracht.
Hoe ver is de techniek?
Het aantal bevestigde exoplaneten ligt inmiddels op ruim vijfduizend, verspreid over duizenden planetenstelsels, en dat aantal groeit vrijwel wekelijks dankzij lopende missies. Het vaststellen van de aanwezigheid van een planeet is dus een volwassen en betrouwbare techniek geworden.
Het karakteriseren van planeten, dus het achterhalen van hun samenstelling, atmosfeer en eventuele bewoonbaarheid, staat nog in de kinderschoenen. Dat lukt tot nu toe vooral bij grotere gasplaneten die relatief dicht bij hun ster staan, omdat die de grootste en makkelijkst meetbare signalen geven. Voor kleine, rotsachtige planeten zoals de aarde is het spectrum dat je moet meten extreem zwak, en de technologie om dat betrouwbaar te doen bestaat nog niet op grote schaal.
Een belangrijk obstakel is sterruis: sterren zijn zelf onrustige, actieve objecten met vlekken en uitbarstingen, wat het signaal van een kleine planeet makkelijk kan verstoren of nabootsen. Ook is er nog geen eenduidige, algemeen aanvaarde definitie van wat een overtuigend 'biosignatuur' precies is; een vermeende aanwijzing voor leven kan later toch een niet-biologische verklaring blijken te hebben, zoals eerder is gebeurd bij enkele veelbesproken metingen.
Toekomstige instrumenten moeten deze beperkingen wegnemen. De Europese PLATO-missie, gepland voor lancering in 2026, moet gericht gaan zoeken naar aardachtige planeten rond zonachtige sterren. Op de langere termijn werken NASA en ESA aan nog grotere ruimtetelescopen die specifiek zijn ontworpen om het zwakke licht van kleine, rotsachtige planeten direct te kunnen analyseren.
Wie werken eraan?
NASA speelt een centrale rol, met missies als Kepler, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) en de James Webb-ruimtetelescoop, en onderhoudt de Exoplanet Archive, de belangrijkste openbare database van bevestigde vondsten. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA draagt bij aan Webb en ontwikkelt eigen missies zoals Cheops (voor het nauwkeurig meten van bekende planeten) en het eerdergenoemde PLATO.
Grondgebonden observatoria zijn minstens zo belangrijk. De European Southern Observatory (ESO), met telescopen in Chili zoals de Very Large Telescope, wordt veel gebruikt voor radiële-snelheidsmetingen en directe beeldvorming, en bouwt momenteel de Extremely Large Telescope, die naar verwachting rond het einde van dit decennium in gebruik wordt genomen. Universiteiten in onder meer Zwitserland (waar Mayor en Queloz werkzaam waren), de Verenigde Staten, Frankrijk en Nederland leveren belangrijke theoretische en waarnemende bijdragen, vaak in internationale samenwerkingsverbanden.
Ook particuliere en semiprivate initiatieven spelen een rol, bijvoorbeeld via data-analyse en burgerwetenschap: vrijwilligers helpen soms mee met het doorzoeken van telescoopdata naar transitsignalen die geautomatiseerde software heeft gemist.