Slechts twee van de meer dan 5300 bekende exoplaneten hebben tot nu toe bewijs geleverd van manen in een baan om hen heen. In waarnemingen van de planeten Kepler-1625b en Kepler-1708b door de Kepler- en Hubble-ruimtetelescopen hadden onderzoekers voor het eerst sporen van zulke manen ontdekt. Een nieuwe studie doet nu twijfels rijzen over deze eerdere beweringen.
Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Zonnestelselonderzoek (MPS) en de Sonnenberg Sterrenwacht, beide in Duitsland, melden vandaag in het tijdschrift Nature Astronomy dat "planet-only" interpretaties van de waarnemingen overtuigender zijn. Voor hun analyse gebruikten de onderzoekers hun nieuw ontwikkelde computeralgoritme Pandora, dat het zoeken naar exomanen vergemakkelijkt en versnelt. Ze onderzochten ook wat voor soort exomanen in principe gevonden kunnen worden in moderne astronomische waarnemingen vanuit de ruimte. Hun antwoord is behoorlijk schokkend.
In ons zonnestelsel is het eerder regel dan uitzondering dat een planeet omringd wordt door een of meer manen: afgezien van Mercurius en Venus hebben alle andere planeten zulke begeleiders; in het geval van de gasreus Saturnus hebben onderzoekers tot op heden 140 natuurlijke satellieten gevonden. Wetenschappers achten het daarom waarschijnlijk dat planeten in verre sterrenstelsels ook manen hebben. Tot nu toe is er echter slechts in twee gevallen bewijs gevonden voor zulke exomonen: Kepler-1625b en Kepler-1708b. Deze lage opbrengst is niet verrassend. Verafgelegen satellieten zijn immers van nature veel kleiner dan hun thuiswereld - en daarom veel moeilijker te vinden. En het is extreem tijdrovend om de observatiegegevens van duizenden exoplaneten uit te kammen op zoek naar aanwijzingen voor manen.
Om het zoeken gemakkelijker en sneller te maken, vertrouwen de auteurs van de nieuwe studie op een zoekalgoritme dat ze zelf hebben ontwikkeld en geoptimaliseerd voor het zoeken naar exomanen. Ze publiceerden hun methode vorig jaar en het algoritme is als open source code beschikbaar voor alle onderzoekers. Toegepast op de observatiegegevens van Kepler-1625b en Kepler-1708b waren de resultaten verbluffend. "We hadden graag de ontdekking van exomonen rond Kepler-1625b en Kepler-1708b bevestigd," zegt eerste auteur van de nieuwe studie, MPS-wetenschapper Dr. René Heller. "Maar helaas blijkt uit onze analyses het tegendeel", voegt hij eraan toe.
Verstoppertje van een exomaan
De Jupiterachtige planeet Kepler-1625b haalde vijf jaar geleden de krantenkoppen. Onderzoekers van Columbia University in New York meldden sterke aanwijzingen voor een reuzenmaan in zijn baan die alle manen in het zonnestelsel in de schaduw zou stellen. De wetenschappers hadden gegevens geanalyseerd van NASA's Kepler ruimtetelescoop, die tijdens zijn eerste missie van 2009 tot 2013 meer dan 100.000 sterren waarnam en meer dan 2000 exoplaneten ontdekte. Maar in de jaren die volgden op de ontdekking in 2018, dwong de exomaankandidaat astronomen om een kosmische versie van verstoppertje te spelen. Eerst verdween hij nadat de Kepler-gegevens waren opgeschoond van systematische ruis. Toch werden er weer aanwijzingen gevonden bij verdere waarnemingen met de Hubble ruimtetelescoop. En vorig jaar kreeg deze buitengewone exomaan gezelschap: volgens de onderzoekers uit New York draait er nog een andere reuzenmaan, die veel groter is dan de aarde, rond de Jupiterplaneet Kepler-1708b.
De juiste match
"Exomonen staan zo ver weg dat we ze niet rechtstreeks kunnen zien, zelfs niet met de krachtigste moderne telescopen," legt Dr. René Heller uit. In plaats daarvan registreren telescopen de fluctuaties in helderheid van verre sterren, waarvan de tijdreeks een lichtkromme wordt genoemd. Onderzoekers zoeken vervolgens naar tekenen van manen in deze lichtkrommen. Als een exoplaneet vanaf de aarde gezien voor zijn ster langs gaat, wordt de ster een fractie zwakker. Deze gebeurtenis wordt een transit genoemd en komt regelmatig terug met de omlooptijd van de planeet rond de ster. Een exomaan die de planeet vergezelt, zou een vergelijkbaar verduisterend effect hebben. Zijn spoor in de lichtcurve zou echter niet alleen aanzienlijk zwakker zijn. Door de beweging van de maan en de planeet rond hun onderlinge zwaartepunt zou dit extra dimmen in de lichtcurve een nogal ingewikkeld patroon volgen. En er zijn nog andere effecten waarmee rekening moet worden gehouden, zoals verduisteringen van de planeet en de maan, natuurlijke helderheidsvariaties van de ster en andere bronnen van ruis die tijdens telescopische metingen worden gegenereerd.
Om de manen toch te detecteren, berekenen zowel de New Yorkse onderzoekers als hun Duitse collega's eerst vele miljoenen "kunstmatige" lichtkrommen voor alle denkbare groottes, onderlinge afstanden en baanoriëntaties van mogelijke planeten en manen. Een algoritme vergelijkt vervolgens deze gesimuleerde lichtkrommen met de waargenomen lichtkromme en zoekt naar de beste match. De onderzoekers uit Göttingen en Sonneberg gebruikten hun open-source algoritme Pandora, dat is geoptimaliseerd voor het zoeken naar exomonen en deze taak meerdere ordes van grootte sneller kan oplossen dan eerdere algoritmen.
Geen spoor van manen
In het geval van de planeet Kepler-1708b heeft het Duitse duo nu ontdekt dat scenario's zonder maan de waarnemingsgegevens net zo nauwkeurig kunnen verklaren als scenario's met een maan. "De waarschijnlijkheid dat er een maan rond Kepler-1708b draait is duidelijk lager dan eerder werd gerapporteerd," zegt Michael Hippke van de Sonneberg Sterrenwacht en co-auteur van de nieuwe studie. "De gegevens wijzen niet op het bestaan van een exomaan rond Kepler-1708b," vervolgt Hippke.
Veel wijst erop dat Kepler-1625b ook geen reusachtige begeleider heeft. Transits van deze planeet voor zijn ster zijn eerder waargenomen met de Kepler- en de Hubble-telescoop. De Duitse onderzoekers stellen nu dat de ogenblikkelijke helderheidsvariatie van de ster over zijn schijf, een effect dat bekend staat als stellaire limb darkening, een cruciale invloed heeft op het voorgestelde exomoonsignaal. De rand van de zonneschijf lijkt bijvoorbeeld donkerder dan het midden. Afhankelijk van of je door de Kepler- of de Hubble-telescoop naar de thuisster van Kepler-1625b kijkt, ziet dit effect er echter anders uit. Dit komt doordat Kepler en Hubble gevoelig zijn voor verschillende golflengten van het licht dat ze ontvangen. De onderzoekers uit Göttingen en Sonneberg stellen nu dat hun modellering van dit effect de gegevens beter verklaart dan een reusachtige exomoon.
Uit hun nieuwe, uitgebreide analyses blijkt ook dat zoekalgoritmen voor exomonen vaak fout-positieve resultaten opleveren. Keer op keer "ontdekken" ze een maan terwijl er in werkelijkheid alleen maar een planeet rond zijn gastheerster draait. In het geval van een lichtcurve zoals die van Kepler-1625b ligt het percentage "valse hits" waarschijnlijk rond de 11 procent. "De eerdere exomaan-claim van onze collega's uit New York was het resultaat van een zoektocht naar manen rond tientallen exoplaneten," zegt Heller. "Volgens onze schattingen is een vals-positieve bevinding helemaal niet verrassend, maar bijna te verwachten," voegt hij eraan toe.
Vreemde satellieten
De onderzoekers gebruikten hun algoritme ook om te voorspellen welke soorten exomanen duidelijk waarneembaar zouden kunnen zijn in lichtkrommen van ruimtemissies zoals Kepler. Volgens hun analyse zijn alleen bijzonder grote manen die in een wijde baan om hun planeet draaien detecteerbaar met de huidige technologie. Vergeleken met de bekende manen van ons zonnestelsel zouden het allemaal buitenbeentjes zijn: minstens twee keer zo groot als Ganymedes, de grootste maan in het zonnestelsel en dus bijna net zo groot als de aarde. "De eerste exomonen die ontdekt zullen worden in toekomstige waarnemingen, zoals van de PLATO-missie, zullen zeker heel ongewoon zijn en daarom spannend om te onderzoeken," zegt Heller.
Bron: Max Planck Institute for Solar System Research
