Een generatie geleden was het idee van een planeet in een baan rond een verre ster nog steeds op het gebied van science fiction. Maar sinds de ontdekking van de eerste exoplaneet in 1988, hebben we er honderden gevonden, die in de loop van de tijd sneller ontdekten.
gerelateerde inhoud
- Er zijn waarschijnlijk veel meer aardachtige exoplaneten dan we ons hadden voorgesteld
- De 5 coolste planeten die verre sterren cirkelen
Vorige maand onthulden NASA-astronomen in een enkele aankondiging 715 voorheen onbekende planeten in gegevens verzameld door de Kepler Space Telescope, wat het totale aantal bekende exoplaneten op 1771 bracht., sommige die vol water zitten, sommige die ongeveer de grootte van de aarde hebben en sommige die meer dan twee keer zo groot zijn als Jupiter.
Maar de overgrote meerderheid van al deze verre planeten hebben één ding gemeen - op enkele uitzonderingen na, ze zijn te ver weg om te zien, zelfs met onze krachtigste telescopen. Als dat het geval is, hoe weten astronomen dan dat ze daar zijn?
In de afgelopen decennia hebben onderzoekers verschillende technieken ontwikkeld om de vele planeten buiten ons zonnestelsel te spotten, vaak in combinatie gebruikt om de eerste ontdekking te bevestigen en meer te weten te komen over de kenmerken van de planeet. Hier is een uitleg van de belangrijkste methoden die tot nu toe zijn gebruikt.
doorvoer
Stel je voor dat je naar een kleine planeet kijkt die in een baan rond een ster ver, ver weg. Af en toe kan de planeet tussen jou en zijn ster passeren, waardoor een deel van het sterrenlicht kort wordt geblokkeerd. Als dit dimmen met voldoende frequentie gebeurde, kun je misschien de aanwezigheid van de planeet afleiden, zelfs als je het niet kunt zien.
(Afbeelding via Wikimedia Commons / Nikola Smolenski) Dit is in essentie de transitiemethode voor het detecteren van exoplaneten, die tot nu toe verantwoordelijk is voor de meeste van onze exoplanet-ontdekkingen. Voor verre sterren is er natuurlijk geen manier waarop het blote menselijk oog betrouwbaar een dimming in de hoeveelheid licht die we zien kan detecteren, dus wetenschappers vertrouwen op telescopen (met name de Kepler-ruimtetelescoop) en andere instrumenten om te verzamelen en te analyseren Deze data.
Voor een astronoom ziet het "zien" van een exoplanet in de verte over het algemeen er ongeveer zo uit:
De hoeveelheid licht van een verre ster, grafisch, daalt als een planeet tussen ons en ons doorkruist. (Afbeelding via Wikimedia Commons / Сам посчитал) In sommige gevallen kan de hoeveelheid dimmen die wordt veroorzaakt door de planeet die tussen zijn ster en ons passeert, astronomen ook een ruwe schatting geven van de grootte van de planeet. Als we de grootte van een ster kennen en de afstand van de planeet ervan (de laatste bepaald door een andere detectiemethode, radiale snelheid, lager op deze lijst), en we zien dat de planeet een bepaald percentage van het licht van de ster blokkeert, kunnen we bereken de straal van de planeet uitsluitend op basis van deze waarden.
Er zijn echter nadelen aan de transitiemethode. Een planeet moet correct worden opgesteld om tussen ons en zijn ster te passeren, en hoe verder het rond zijn banen draait, hoe kleiner de kans op deze uitlijning. Berekeningen geven aan dat voor een planeet ter grootte van een aarde die rond zijn ster draait op dezelfde afstand als die van ons (ongeveer 93 miljoen mijl), er slechts een kans van 0, 47 procent is dat deze goed is uitgelijnd om dimmen te veroorzaken.
De methode kan ook leiden tot een groot aantal valse positieven - afleveringen van dimmen die we identificeren als transiterende planeten, maar die uiteindelijk volledig door iets anders worden veroorzaakt. Eén studie toonde aan dat maar liefst 35 procent van de grote, dicht bij elkaar in een baan ronddraaiende planeten die in Kepler-gegevens zijn geïdentificeerd, in feite niet-bestaand zou kunnen zijn, en het dimmen toegeschreven aan stof of andere stoffen die zich tussen ons en de ster bevinden. In de meeste gevallen proberen astronomen planeten die via deze methode zijn gevonden, te bevestigen met andere methoden in deze lijst.
Orbitale helderheid
In sommige gevallen zorgt een planeet die rond zijn ster draait ervoor dat de hoeveelheid licht die de aarde bereikt, stijgt in plaats van daalt. Over het algemeen zijn dit gevallen waarin de planeet heel dicht in een baan om de aarde draait, zodat het zodanig wordt verwarmd dat het detecteerbare hoeveelheden thermische straling uitzendt.
Hoewel we deze straling niet kunnen onderscheiden van die van de ster zelf, zal een planeet die in de juiste richting ronddraait aan ons worden blootgesteld in een regelmatige opeenvolging van fasen (vergelijkbaar met de fasen van de maan), zo regelmatig, periodiek stijgt in de hoeveelheid licht die ruimtetelescopen van deze sterren ontvangen, kan worden gebruikt om de aanwezigheid van een planeet af te leiden.
Net als bij de transitiemethode is het gemakkelijker om met deze techniek grote planeten te detecteren die dicht bij hun sterren cirkelen. Hoewel tot nu toe slechts een handvol planeten is ontdekt die uitsluitend deze methode gebruiken, kan het op de lange termijn de meest productieve methode zijn, omdat het geen exoplanet vereist om rechtstreeks tussen ons en de ster te passeren om te detecteren het, waardoor een veel breder scala aan mogelijke ontdekkingen wordt geopend.
Radiale snelheid
Op de lagere school wordt ons geleerd dat een zonnestelsel een stationaire ster is, omringd door langzaam ronddraaiende planeten, asteroïden en ander puin. De waarheid is echter iets gecompliceerder: vanwege de zwaartekracht van de planeten, wiebelt de ster ook zo lichtjes weg van het zwaartepunt van het systeem:
(Afbeelding via Wikimedia Commons / Zhatt) Het fenomeen gaat ongeveer zo: een grote planeet, als deze voldoende massa heeft, kan de ster er misschien naar toe trekken, waardoor de ster niet meer precies het centrum van het verre zonnestelsel is. Dus periodieke, voorspelbare maar toch minieme verschuivingen in de positie van de ster kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van een grote planeet in de buurt van die ster af te leiden.
Astronomen hebben van dit fenomeen gebruik gemaakt om honderden exoplaneten te detecteren. Tot voor kort, toen het werd overtroffen door transit, was deze methode (radiale snelheid genoemd) verantwoordelijk voor de meeste ontdekte exoplaneten.
Het lijkt misschien moeilijk om kleine bewegingen in sterren op honderden lichtjaren afstand te meten, maar het blijkt dat astronomen kunnen detecteren wanneer een ster versnelt naar (of weg van) de aarde met snelheden zo laag als één meter per seconde vanwege het Doppler-effect.
Het effect is het fenomeen van golven (of het nu geluid, zichtbaar licht of andere vormen van elektromagnetische energie) lijken te zijn iets hoger in frequentie wanneer het object dat ze uitzendt naar een waarnemer beweegt, en iets lager wanneer het weg beweegt. U hebt uit de eerste hand ervaren of u ooit het hoge gejank van de naderende sirene van een ambulance hoorde vervangen door een iets lagere toon terwijl deze wegrijdt.
Vervang de ambulance door een verre ster en het geluid van een sirene door het licht dat het uitstraalt, en je hebt vrijwel het idee. Met behulp van spectrometers, die de specifieke lichtfrequenties meten die door een ster worden uitgezonden, kunnen astronomen naar schijnbare verschuivingen zoeken, wat aangeeft dat de ster iets dichter naar ons toe beweegt of iets wegdrijft.
De mate van beweging kan zelfs de massa van de planeet weerspiegelen. In combinatie met de straal van de planeet (berekend via de transit-methode), kan dit wetenschappers in staat stellen de dichtheid van de planeet te bepalen, en dus de samenstelling ervan (als het bijvoorbeeld een gasreus of een rotsachtige planeet is).
Deze methode is ook onderhevig aan beperkingen: het is veel gemakkelijker om een grotere planeet te vinden die rond een kleinere ster draait, omdat zo'n planeet een grotere impact heeft op de beweging van de ster. Relatief kleine planeten ter grootte van de aarde zijn waarschijnlijk moeilijk te detecteren, vooral op grote afstanden.
Directe beeldvorming
In enkele zeldzame gevallen hebben astronomen exoplaneten op de meest eenvoudige manier kunnen vinden: door ze te zien.
Drie massieve planeten - waarschijnlijk groter dan Jupiter - werden in 2010 in een baan om de ster HR8799 afgebeeld (de ster zelf wordt geblokkeerd met een coronagraaf. (Afbeelding via NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory) Deze gevallen zijn om een paar redenen zo zeldzaam. Om een planeet van zijn ster te kunnen onderscheiden, moet hij relatief ver van hem verwijderd zijn (het is gemakkelijk om je voor te stellen dat Mercurius bijvoorbeeld niet van verre van de zon te onderscheiden is). Maar als een planeet te ver van zijn ster verwijderd is, reflecteert deze niet genoeg van het licht van de ster om zichtbaar te zijn.
Exoplaneten die het meest betrouwbaar door telescopen kunnen worden gezien, zijn groot (zoals Jupiter) en erg heet, zodat ze hun eigen infraroodstraling afgeven, die door telescopen kan worden gedetecteerd en gebruikt om ze van hun sterren te onderscheiden. Planeten die rond bruine dwergen draaien (objecten die technisch niet als sterren zijn geclassificeerd, omdat ze niet heet of massief genoeg zijn om fusiereacties te genereren en dus weinig licht afgeven), kunnen ook gemakkelijker worden gedetecteerd.
Directe beeldvorming is ook gebruikt om een paar bijzonder massieve schurkenplaneten te detecteren - die planeten die vrij door de ruimte zweven in plaats van rond een ster te draaien.
Zwaartekrachtlenzen
Alle voorgaande methoden op deze lijst zijn voor een niet-wetenschapper op een intuïtief niveau zinvol. Zwaartekrachtlenzen, gebruikt om een handvol exoplaneten te ontdekken, vereisen een meer abstracte gedachte.
Stel je een ster voor, heel ver weg, en een andere ster ongeveer halverwege tussen deze en de aarde. Op zeldzame momenten kunnen de twee sterren bijna op een rij staan, bijna elkaar overlappen in de nachtelijke hemel. Wanneer dit gebeurt, werkt de kracht van de zwaartekracht van de dichtstbijzijnde ster als een lens, waardoor het binnenkomende licht van de verre ster wordt vergroot terwijl deze dichtbij hem passeert om ons te bereiken.
Een simulatie van zwaartekrachtlenzen, waarbij het licht uit een verafgelegen sterrenstelsel wordt weergegeven dat kort wordt vergroot door een zwart gat in de middelste grond. (Afbeelding via Urbane Legend) Als een ster met een planeet in de buurt van de baan als de zwaartekrachtlens dient, kan het zwaartekrachtveld van die planeet een lichte maar waarneembare bijdrage leveren aan de vergroting. Zo hebben astronomen in sommige zeldzame gevallen de aanwezigheid van verre planeten kunnen afleiden door het licht van nog verder weg gelegen sterren te vergroten.
Een grafiek van exoplaneet-ontdekkingen per jaar, met detectiemethode weergegeven door kleur. Groen = doorvoer, blauw = radiale snelheid, rood = directe beeldvorming, oranje = gravitatielens. (Afbeelding via Wikimedia Commons / Aldaron)
