Het is een uitdagende nacht voor astronomie in Lick Observatory in de buurt van San Jose, Californië. De lichten van Silicon Valley glinsteren onder de top van 4.200 voet van Mount Hamilton, waardoor de zwakste sterren worden uitgewassen. Wolken drijven dichter uit het noorden met een dreiging van regen. Op de bergtop zijn tien telescoopkoepels en ik loop een steile oprit op naar de grootste. Er is een griezelig geluid, zoals een losse sluiter die kreunt in de wind. Het is de koepel zelf, die kraakt terwijl hij roteert om zijn opening gecentreerd te houden boven de langzaam bewegende telescoop binnenin.
gerelateerde inhoud
- De bouwstenen van het leven komen misschien uit de ruimte
- Wat de ontdekking van honderden nieuwe planeten betekent voor astronomie - en filosofie
- Zie, de Geminiden
Chris McCarthy, een astronoom aan de San Francisco State University (SFSU), begroet me aan een zijdeur. Met een klein lichtje op zijn hoofd, leidt hij me via metalen trappen door het interieur van de koepel, donker gehouden voor nachtelijke observaties en de warme controlekamer in. Daar zitten Howard Isaacson, een SFSU-senior, en Keith Baker, een telescooptechnicus, achter computerschermen tussen dikke bundels kabels en rekken met verouderde elektronica. McCarthy en Isaacson chatten en drinken hete thee terwijl Baker zijn computermuis gebruikt om de telescoop in te stellen. Voor het ochtendgloren verzamelen de astronomen licht van tientallen sterren. Ze hopen dat sommige sterren nieuwe werelden herbergen.
In een tijdperk van rovers die Mars verkennen en ruimtetelescopen die schitterende foto's maken van de kosmos van boven de duisternis van de aardatmosfeer, voelt de routine in Lick - een 47-jarige telescoop uren achter elkaar op ster na ster richten - eerder aan schilderachtig. Toch zijn deze astronomen lid van een team dat de beste is op het gebied van planeetjacht. Met behulp van telescopen in Hawaii, Chili en Australië, evenals die in het Lick Observatory, om ongeveer 2.000 sterren te bewaken - de meesten van hen zijn rustig en van middelbare leeftijd zoals onze zon en dicht genoeg bij de aarde voor grote telescopen om een duidelijk beeld te krijgen van hun bewegingen - het team heeft ongeveer tweederde van de ongeveer 200 planeten gevonden die tot nu toe buiten ons zonnestelsel zijn ontdekt. (De recente drukte over het definiëren van een planeet in ons zonnestelsel heeft de planetaire status van deze verre objecten niet bedreigd.)
Sommige van de pas ontdekte extrasolaire planeten, of exoplaneten, zoals ze worden genoemd, zijn gigantische werelden zo groot als Jupiter die hun sterren omcirkelen op strakke, roosterende banen, veel dichterbij dan Mercurius 'baan rond de zon. Anderen duiken dicht bij hun sterren en slingeren dan ver weg op eivormige paden, terwijl ze kleinere lichamen verstrooien. Sommige pasgeboren planeten gooien hun broer of zus planeten naar een vurige ondergang of in de diepten van de ruimte.
Nergens te zien - althans nog niet - is een zonnestelsel zoals het onze, met solide planeten nabij de zon en gasreuzenplaneten op geordende processies verder weg. Zo'n systeem is de meest waarschijnlijke plaats voor een rotsachtige planeet zoals de aarde om miljarden jaren in een stabiele baan te overleven. Misschien is het parochiaal, maar astronomen die tekenen van leven elders in de kosmos zoeken - een zoektocht die de zoektocht naar exoplaneten bezielt - zijn op zoek naar planeten en zonnestelsels zoals die van ons, met een planeet die niet te ver van of te dicht bij een ster ligt, en misschien met water op het oppervlak. Het Californische team zegt dat het vinden van aardachtige planeten slechts een kwestie van tijd is.
De studie van exoplaneten is immers nog steeds erg nieuw. Eerder dan tien jaar geleden dachten astronomen dat het onmogelijk zou zijn om ze te zien tegen de schitterende schittering van hun sterren. Dus probeerden een paar astronomen exoplaneten te vinden door te zoeken naar sterren die leek te wiebelen, getrokken door de zwaartekracht van ongeziene lichamen die om hen heen cirkelden. Maar de meeste experts betwijfelden of de aanpak zou werken. "Mensen dachten dat het zoeken naar planeten waardeloos was", zegt McCarthy. "Het was een stap boven de zoektocht naar buitenaardse intelligentie, en dat was een stap boven ontvoerd door buitenaardse wezens. Nu is het een van de grootste wetenschappelijke vooruitgang van de 20e eeuw."
De eerste exoplaneet, ontdekt in 1995 door Michel Mayor en Didier Queloz van de Universiteit van Genève, in Zwitserland, was een gigantisch object van de helft van de omvang van Jupiter en wervelde om de vier dagen rond een ster vergelijkbaar met onze zon in een waanzinnige baan. De ster, in het sterrenbeeld Pegasus, bevindt zich op ongeveer 50 lichtjaar afstand. Meer "hete Jupiters", of gigantische gasvormige planeten die rond sterren cirkelden, doken snel op, al was het maar omdat die grote lichamen de meest uitgesproken wobbles opleggen aan hun oudersterren.
Hoewel astronomen die planeten niet rechtstreeks hebben waargenomen, concluderen ze dat ze gasvormig zijn vanwege hun enorme omvang en wat er bekend is over planeetvorming. Een planeet vloeit samen uit het puin in de grote schijven van stof en gas rondom sterren. Als het een bepaalde grootte bereikt - 10 tot 15 keer de grootte van de aarde - oefent het zo'n zwaartekracht uit en zuigt het zoveel gas op dat het een gasreus wordt.
Naarmate de meettechnieken verbeterden, ontdekten astronomen geleidelijk kleinere planeten - eerst de grootte van Saturnus, daarna tot Neptunus en Uranus. Na een paar jaar exoplaneten te hebben gezien, zagen wetenschappers een veelbelovende trend: naarmate de maten die ze konden detecteren kleiner werden, waren er steeds meer. Het proces dat planeten bouwt lijkt de kleintjes te bevoordelen, niet de titanen.
In het laatste anderhalf jaar ontdekten het Californische team en een groep onder leiding van onderzoekers in Parijs de kleinste exoplaneten die tot nu toe rond zonachtige sterren te zien waren: de twee planeten waren slechts vijf tot acht keer de massa van de aarde. Astronomen zeggen dat dergelijke werelden meestal uit metaal en steen kunnen bestaan, misschien met een dikke atmosfeer. De exoplaneet gevonden door astronoom Geoff Marcy van de Universiteit van Californië in Berkeley en collega's staat dicht bij zijn ster en is waarschijnlijk te heet om vloeistof op het oppervlak te laten staan. De andere planeet draait om een verre ster en kan zo koud zijn als Pluto. Toch was het leren dat niet alle exoplaneten gigantische gasballen zijn een mijlpaal voor het veld. "Dit zijn de eerste plausibel rotsachtige werelden", zegt Marcy. "Voor het eerst beginnen we onze planetaire verwanten tussen de sterren te ontdekken."
Het meest verrassende kenmerk van exoplaneten tot nu toe, zegt Marcy op een dag in zijn kantoor op de campus van Berkeley, zijn hun ongewone banen. In het klassieke "bovenaanzicht" -diagram van ons zonnestelsel volgen de planeten (behalve voor Pluto, oneven gedegradeerd tot een dwergplaneet) handige concentrische cirkels rond de zon. Marcy reikt achter zijn nette bureau en haalt een orrery eruit, een mechanisch model van ons zonnestelsel. Metalen ballen aan de uiteinden van spichtige armen draaien rond de zon. "We hadden allemaal verwacht dat we deze cirkelvormige groeven in de fonograaf zouden zien", zegt Marcy. "Dat is wat de studieboeken over planetaire systemen zeiden. Dus toen we in 1996 voor het eerst excentrieke banen begonnen te zien, zeiden mensen dat ze geen planeten konden zijn. Maar ze bleken een voorbode te zijn van de dingen die nog komen."
Net na middernacht in het Lick Observatory boeken de astronomen goede vorderingen op de checklist van de nacht met 40 sterren. Hun doelen zijn meestal niet de belangrijkste sterren van de sterrenbeelden, maar toch zijn velen helder genoeg om met het blote oog te zien. "Als ik uit ben met mijn vrienden, kan ik wijzen op een paar sterren waarvan we weten dat ze planeten hebben, " zegt Howard Isaacson. Een bijzonder heldere ster in het Andromeda-sterrenbeeld heeft er drie.
McCarthy biedt aan om het geheim te onthullen van het succes van het team bij het bespioneren van exoplaneten. We lopen de donkere koepel in en passeren onder de telescoop, met zijn drie meter brede spiegel die de zwakke lichtstralen van verre sterren verzamelt en focust. Ik had de enorme telescoop overdag gezien, maar 's nachts ziet hij er veel vitaler uit, zijn dikke metalen stutten schuin als de benen van een lange bidsprinkhaan die naar de hemel uitkijken. McCarthy leidt me naar een krappe kamer onder de vloer van de koepel, waar door de spiegel van de telescoop geconcentreerd sterrenlicht in een cilinder stroomt die kleiner is dan een blikje frisdrank. Het is verpakt in blauw schuim, met glas aan beide uiteinden. Het ziet er binnen leeg uit, maar er is mij verteld dat het vol jodium is dat wordt verwarmd tot 122 graden Fahrenheit.
Deze jodiumcel werd ontwikkeld door Marcy en zijn voormalige student Paul Butler, nu een astronoom aan het Carnegie Institution in Washington, DC Wanneer licht van een ster door het hete gas gaat, absorberen jodiummoleculen bepaalde golflengten van licht. Het resterende licht wordt verspreid in een regenboog door een instrument dat werkt als een prisma. Omdat het jodium stukjes licht heeft afgetrokken, zijn donkere lijnen verspreid over het spectrum als een lange streepjescode in de supermarkt. Elke ster heeft zijn eigen signatuur van golflengten van licht die zijn geabsorbeerd door de atmosfeer van de ster. Deze golflengtes verschuiven licht wanneer een ster naar ons toe of van ons af beweegt. De astronomen vergelijken de eigen handtekening van de ster met donkere lijnen met de stabiele jodiumlijnen van de ene nacht op de andere, en van maand tot maand en van jaar tot jaar. Omdat er zoveel fijne lijnen zijn, is het mogelijk om zelfs minieme verschuivingen te detecteren. "Het is alsof je de ster tegen een stuk ruitjespapier houdt", zegt McCarthy. "De jodiumlijnen bewegen nooit. Dus als de ster beweegt, gebruiken we de jodiumlijnen als liniaal waartegen we die beweging kunnen meten."
Voor zoiets groots als een ster, zijn de enige dingen die een regelmatige, zich herhalende verschuiving kunnen veroorzaken de zwaartekrachtsleepboten van een andere ster - die astronomen gemakkelijk konden detecteren vanwege de eigen lichtsignatuur van een begeleidende ster en zijn forse massa - of een verborgen planeet die in een baan om de aarde draait eromheen. De jodiumcel kan een ster volgen die zo langzaam beweegt als enkele voet per seconde - menselijke loopsnelheid - over de enorme leegte van triljoenen mijlen ruimte. Deze gevoeligheid is waarom veel planeetjachtteams de jodiumcel gebruiken.
Ik tuur erin en zie wat gekreukte folie en verwarmingsdraden door het blauwe schuim slingeren. Stroken ducttape lijken delen ervan bij elkaar te houden. Nadat we zijn teruggekeerd naar de controlekamer, grinnikt McCarthy en wijst op de slogan op het zweetoverhemd van Keith Baker: "Als het moeilijk wordt, de ducttape voor zwaar gebruik."
Hoe meer vreemd gevormde en vreemd gespreide banen die astronomen vinden, hoe meer ze zich realiseren dat het natuurlijke proces van planeetvorming chaos en wanorde veroorzaakt. "Het werd duidelijk dat ons zonnestelsel, met zijn prachtige dynamiek en architectuur, veel stabieler was dan dat rond andere sterren, " zegt theoretische astrofysicus Greg Laughlin van de Universiteit van Californië in Santa Cruz, die samenwerkt met het team van Marcy en Butler. Proberen uit te vinden hoe nieuwe planeten hun rare paden hebben verworven, is een ontmoedigende taak geweest. Laughlin ontwerpt computermodellen van exoplaneetbanen om te proberen de geschiedenis van de planeten opnieuw te creëren en hun lot te voorspellen. Hij richt zich op de rol van de zwaartekracht in verwoesting. Wanneer een grote planeet bijvoorbeeld op een excentrieke baan beweegt, kan zijn zwaartekracht werken als een katapult en kleinere nabijgelegen werelden werpen. "In sommige van deze systemen, " zegt Laughlin, "als je een aarde-achtige planeet in een bewoonbare baan plaatst, kan deze letterlijk binnen enkele weken worden uitgeworpen."
Interacties tussen planeten kunnen in de kosmos veel voorkomen, zeggen Laughlin en zijn collega's. Van bijna 20 sterren is bekend dat er meer dan één planeet om hen heen draait, en sommige van deze exoplaneten van broers en zussen zijn opgesloten in een dans die 'resonantie' wordt genoemd. Een planeet rond een ster genaamd Gliese 876 heeft bijvoorbeeld 30 dagen nodig om rond te draaien, terwijl een andere planeet bijna precies twee keer zo lang duurt. De berekeningen van Laughlin tonen aan dat hun wederzijdse zwaartekracht een stabiele, klokachtige opstelling tussen de twee planeten behoudt.
Resonanties zijn sterke aanwijzingen dat de planeten ver van hun geboorteplaats zijn gemigreerd. De schijf van stof en gas die embryonale planeten voortbrengt, heeft een eigen zwaartekracht. De schijf sleept over de planeten en trekt ze geleidelijk naar binnen in de richting van de ster of, in sommige gevallen, naar buiten. Terwijl deze migratie honderdduizenden jaren doorgaat, raken sommige exoplaneten gevangen in resonanties met hun buren. Wanneer grote planeten op korte afstand eindigen, slaan ze elkaar rond en creëren ze enkele excentrieke banen die het team ziet. Tenminste, dat is op dit moment de beste gok.
Andere planeten zijn niet lang meer voor deze wereld. De computermodellen van Laughlin suggereren dat sommige planeten die zich het dichtst bij hun sterren bevinden, erin zullen duiken omdat planeten op grotere afstand zich een weg banen in kleinere banen, misschien over honderdduizenden jaren. Dit onderzoek naar verre zonnestelsels heeft een fascinerend scenario opgeleverd over ons eigen zonnestelsel. Sommige astronomen theoretiseren dat Venus, Aarde en Mars "tweede-generatie" planeten zijn, opvolgers van eerdere lichamen die dichter bij de zon werden geboren en naar binnen migreerden totdat ze waren geconsumeerd.
Vertegenwoordigt alle waargenomen chaos in het universum ernstige gevolgen voor kleine rotsachtige planeten? Helemaal niet, zegt Laughlin. De techniek van het meten van de heen en weer schommelingen van sterren, hoe gevoelig deze ook is, zou ongeveer tien keer fijner moeten zijn om objecten ter grootte van de aarde te onthullen. Maar satelliettelescopen die gepland zijn voor lancering in de komende jaren, kunnen misschien "schaduwen" van buitenaardse aardes detecteren wanneer de kleine planeten voor hun sterren passeren. Laughlin voorspelt dat de satellieten dergelijke lichamen in drommen zullen vinden, zelfs rond sterren waar nog geen grote planeten zijn gezien. "Het is zeer waarschijnlijk dat [zon-achtige] sterren worden vergezeld door terrestrische planeten, " zegt hij. "Mijn intuïtieve gevoel is dat ons zonnestelsel helemaal niet ongewoon is."
Berkeley's Geoff Marcy is het daarmee eens, omdat hij zegt dat elke ster is geboren met voldoende ruw materiaal eromheen om veel planeten te maken. Veel vaste planeten zoals de Aarde zouden moeten vormen, zegt hij, terwijl stof samenvloeit in kiezelstenen, die steeds opnieuw botsen om asteroïden en manen en planeten te maken. "Misschien zijn Jupiters zeldzaam, " zegt hij, "maar rotsachtige planeten komen vrijwel zeker veel voor. Ik zie gewoon niet in hoe een aarde maken moeilijk zou kunnen zijn."
De kleine exoplaneet die onlangs door het team van Marcy en Butler is ontdekt, ondersteunt die visie. Ze vonden het tijdens het bewaken van de twee resonerende planeten in het Gliese 876-systeem, dat 15 lichtjaar verwijderd is. Iets oefende subtiele extra sleepboten uit op de banen van de planeten, en de beste verklaring daarvoor is een derde planeet die misschien 7, 5 keer zo groot is als de aarde. Gezien zijn grootte is de planeet waarschijnlijk rotsachtig, zoals de aarde, in plaats van een gasreus. De ontdekking was een belangrijke stap in de beantwoording van de vraag in ieders geest: kunnen we potentiële leefgebieden voor elders vinden?
Astronomen hoopten dat die vraag zou worden beantwoord door een NASA-satellietmissie genaamd Terrestrial Planet Finder. Het werd verondersteld verder te gaan dan het detecteren van exoplaneten: het zou beelden maken van de meest prikkelende exoplaneten en hun atmosferen analyseren. Maar begin dit jaar heeft NASA de missie stopgezet, voornamelijk vanwege budgetoverschrijdingen van het ruimtestation en de space shuttle en de verwachte kosten van het plan om mensen naar Mars te sturen.
Ondertussen blijft het in Californië gevestigde team op zoek naar meer exoplaneten. Over een paar maanden zullen Marcy en collega Debra Fischer van SFSU gaan werken met een nieuwe telescoop bij Lick, de Automated Planet Finder, met het meest gevoelige lichtanalyseapparaat dat ooit is gemaakt voor exoplanet-zoekopdrachten. Het robotinstrument scant elke heldere nacht ongeveer 25 veelbelovende sterren, met het potentieel om planeten te detecteren die drie tot vijf keer groter zijn dan de aarde. "Dit wordt de eerste telescoop ter wereld die volledig is toegewijd aan de planeetjacht", zegt Fischer. "Mensen dachten dat het ruimtemissies van een miljard dollar zou vergen om andere planeten zoals de Aarde te vinden, maar ik denk dat we er vanaf de grond op kunnen schieten."
Marcy zegt dat het vinden van planeten op aarde nog maar het begin is. "Uiteindelijk moeten we gaan, met een robotachtig ruimtevaartuig en een kleine digitale camera, en dat kleine puppy naar Tau Ceti of Epsilon Eridani sturen, " zegt Marcy en noemt twee nabijgelegen sterren met een bijzondere belofte voor het hosten van aarde-achtige planeten. Ze zijn respectievelijk 12 en 10, 5 lichtjaar verwijderd. "Natuurlijk duurt het 100 jaar [om de technologie te ontwikkelen], maar het is een prachtig doel voor onze soort en het ligt binnen handbereik. Het is volledig technologisch haalbaar om de eerste foto's van het oppervlak van een planeet rond een andere ster te krijgen . We kunnen een wereldwijde missie lanceren, een afgezant van de aarde. De inspanning die we nu doen is gewoon verkenning voor die missie, maar het is een glorieuze verkenning om de eerste oases in de kosmische woestijn te spotten. "
Robert Irion leidt het Science Communication Program aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz. Fotograaf Peter Menzel is co-auteur van Hungry Planet: What the World Eats .
