Dankzij een slimme nieuwe techniek zijn astronomen er voor het eerst in geslaagd om de atmosfeer van een exoplaneet die niet voor zijn moederster langs beweegt gedetailleerd te onderzoeken. Met ESO’s Very Large Telescope heeft een internationaal onderzoeksteam de zwakke gloed van de planeet Tau Boötis b rechtstreeks weten te detecteren. Hierdoor hebben de onderzoekers voor het eerst de atmosfeer van de planeet kunnen onderzoeken en exact zijn baan en massa kunnen bepalen, waarmee een vijftien jaar oud vraagstuk is opgelost.
Verrassend genoeg heeft het team ook ontdekt dat de atmosfeer van de planeet naar boven toe koeler wordt, terwijl het tegendeel werd verwacht. De resultaten worden op 28 juni gepubliceerd in het tijdschrift Nature. De planeet Tau Boötis b (1) was in 1996 een van de eerste exoplaneten die ontdekt werden, en het is nog steeds een van de meest nabije. Hoewel zijn moederster gemakkelijk waarneembaar is met het blote oog, is de planeet zelf dat zeker niet. Tot nu toe kon hij alleen worden gedetecteerd via de zwaartekrachtsinvloed die hij op zijn ster uitoefent. Tau Boötis b is een ‘hete Jupiter’ – een grote planeet die in een zeer nauwe baan om zijn moederster draait. Net als de meeste exoplaneten schuift de planeet vanaf de aarde gezien nooit voor zijn ster langs (zoals de planeet Venus laatst voor de zon schoof). Tot nu toe was zo’n planeetovergang een cruciale voorwaarde om de atmosfeer van een hete Jupiter te onderzoeken: wanneer een planeet voor zijn ster langs trekt, laat zijn atmosfeer een soort vingerafdruk achter in het sterlicht. Omdat in dit geval het licht van de ster van ons uit gezien niet door de planeetatmosfeer gaat, betekende dit dat de atmosfeer van Tau Boötis b niet onderzocht kon worden.
Maar nu, na vijftien jaar te hebben geprobeerd om de zwakke gloed van hete Jupiters te bestuderen, zijn astronomen er eindelijk in geslaagd om de structuur van de atmosfeer van Tau Boötis b te onderzoeken en kon voor het eerst de massa van deze exoplaneet nauwkeurig worden bepaald. Het team maakte daarbij gebruik van het CRIRES-instrument (2) van de Very Large Telescope (VLT) van de ESO-sterrenwacht op Paranal, in Chili. De astronomen combineerden infraroodwaarnemingen van hoge kwaliteit (op golflengten van ongeveer 2,3 micrometer) (3) met een slimme nieuwe truc waarmee het zwakke signaal van de planeet aan het veel sterkere signaal van de moederster ontfutseld kon worden (4). Hoofdauteur Matteo Brogi (Sterrewacht Leiden) legt uit: ‘Dankzij de uitstekende waarnemingen van de VLT en CRIRES hebben we het spectrum van het stelsel veel gedetailleerder kunnen onderzoeken dan voorheen mogelijk was. Slechts ongeveer 0,01% van het licht dat we zien is van de planeet afkomstig en de rest van de ster, dus dat viel niet mee.’
De meeste planeten die om andere sterren draaien, zijn ontdekt door de zwaartekrachtsinvloed die zij op hun moederster uitoefenen. Dat beperkt de informatie die over hun massa’s kan worden verzameld: er kan slechts een ondergrens voor de planeetmassa worden berekend [5]. De nieuwe techniek die nu is toegepast, biedt veel meer mogelijkheden. Door het licht van de planeet rechtstreeks waar te nemen, konden de astronomen meten onder welke hoek we tegen de planeetbaan aan kijken en op die manier nauwkeurig zijn massa vaststellen. Door na te gaan welke veranderingen de beweging van de planeet om zijn ster vertoont, heeft het team opbetrouwbare wijze kunnen bepalen dat Tau Boötis b onder een hoek van 44 graden om zijn ster draait en een massa heeft die zes keer zo groot is als die van de planeet Jupiter in ons eigen zonnestelsel. ‘Met deze nieuwe VLT-waarnemingen is het vijftien jaar oude vraagstuk van de massa van Tau Boötis b opgelost. En de nieuwe techniek brengt ook met zich mee dat we nu de atmosferen kunnen onderzoeken van exoplaneten die niet voor hun ster langs bewegen, en hun massa’s nauwkeurig kunnen bepalen, wat voorheen niet mogelijk was,’ zegt mede-auteur Ignas Snellen (Sterrewacht Leiden). ‘Dat is een grote stap voorwaarts.’
Het onderzoeksteam heeft niet alleen de gloed van de atmosfeer van Tau Boötis b gedetecteerd en de massa van de planeet bepaald, maar ook zijn atmosfeer nader kunnen analyseren. Daarbij is de daarin aanwezige hoeveelheid koolmonoxide gemeten en kon, door vergelijking van de waarnemingen met theoretische modellen, de temperatuur op verschillende hoogten in de atmosfeer worden vastgesteld. Een verrassend resultaat van dit onderzoek was dat de nieuwe waarnemingen erop wijzen dat de atmosferische temperatuur naar boven toe afneemt. Dat is precies het tegenovergestelde van de temperatuurinversie – een toename van de temperatuur met de hoogte – die bij andere hete Jupiters is ontdekt (6) (7).
De VLT-waarnemingen laten zien dat hogeresolutiespectroscopie met telescopen op de vaste grond een waardevol middel is voor de gedetailleerde analyse van de atmosferen van exoplaneten die geen planeetovergangen vertonen. De toekomstige detectie van andere moleculen zal astronomen in staat stellen om meer te weten te komen over de atmosferische omstandigheden op de planeet. Door deze omstandigheden te meten op momenten dat de planeet zich in verschillende punten van zijn omloopbaan bevindt, kan wellicht zelfs worden vastgesteld hoe de atmosferische omstandigheden tussen ochtend en avond veranderen. ‘Dit onderzoek is het bewijs van het enorme potentieel van de huidige telescopen op aarde en hun toekomstige opvolgers, zoals de E-ELT. Misschien zullen we op deze manier ooit zelfs biologische activiteit op aarde-achtige planeten kunnen aantonen,’ concludeert Snellen.
Noten
(1) De naam van de planeet, Tau Boötis b, is een combinatie van de naam van de ster (Tau Boötis of τ Bootis, waarbij τ die Griekse letter ‘tau’ is en niet de letter ‘t’) en de letter ‘b’, die aangeeft dat dit de eerste planeet is die bij deze ster is ontdekt. De aanduiding Tau Boötis a wordt voor de ster zelf gebruikt.
(2) De afkorting staat voor CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer.
(3) Op infrarode golflengten zendt de moederster minder licht uit dan in het visuele gebied, vandaar dat dit golflengtegebied beter geschikt is om het zwakke signaal van de planeet te onderscheiden.
(4) Deze methode maakt gebruik van de snelheid van de planeet in zijn baan om zijn moederster, om zijn straling te onderscheiden van die van de ster en van stralingsbijdragen van de aardatmosfeer. Hetzelfde onderzoeksteam heeft deze techniek vooraf getest op een planeet die wel voor zijn ster langs trekt, door zijn baansnelheid ten tijde van zo’n planeetovergang te meten.
(5) Dat komt doordat doorgaans onbekend is hoe schuin de stand van de planeetbaan is. Als de planeetbaan schuin op de gezichtslijn tussen de ster en de aarde staat, veroorzaakt een zwaardere planeet net zo’n sterke schommelbeweging bij de ster als een lichtere planeet in een minder schuine baan, en laten deze mogelijkheden zich niet van elkaar onderscheiden.
(6) Aangenomen wordt dat thermische inversies worden gekarakteriseerd door moleculaire emissiekenmerken in het spectrum, in plaats van door absorptiekenmerken, zoals volgt uit fotometrische waarnemingen van ‘hete Jupiters’ met de Spitzer-ruimtetelescoop. De exoplaneet HD209458b is het best bestudeerde voorbeeld van thermische inversies in de atmosfeer van een exoplaneet.
(7) Deze waarneming ondersteunt modellen waarin de sterke ultraviolet-emissie die het gevolg is van chromosferische activiteit – zoals de moederster van Tau Boötis b die vertoont – verantwoordelijk is voor het belemmeren van de thermische inversie.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘The signature of orbital motion from the dayside of the planet τ Boötis b’, dat op 28 juni 2012 in het tijdschrift Nature verschijnt. Het onderzoeksteam bestaat uit Matteo Brogi (Sterrewacht Leiden), Ignas A.G. Snellen (Sterrewacht Leiden), Remco J. de Kok (SRON, Utrecht), Simon Albrecht (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, VS), Jayne Birkby (Sterrewacht Leiden) en Ernst J.W. de Mooij (universiteit van Toronto, Canada; Sterrewacht Leiden).
Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
