Astronomen ontdekken kometen bij verre ster

Artist impression epsilon eridani
Artist impression van het Epsilon Eridani-systeem met een exoplaneet, asteroiden en kometen. Credit: NASA/SOFIA/Lynette Cook.

In de afgelopen dertig jaar zijn er duizenden exoplaneten ontdekt. Heel veel van die planeten zijn ontdekt met behulp van de Kepler Space Telescope die gebruik maakt van een techniek die transitie fotometrie wordt genoemd. Bij deze methode maken astronomen gebruik van periodieke dipjes in de helderheid van een ster. Die dipjes zijn het resultaat van planeten die, ten opzichte van de waarnemer, voorlangs de ster bewegen.

Nieuw onderzoek dat is uitgevoerd door een team van professionele en amateurastronomen heeft nu objecten rond een verre ster aangetoond die veel kleiner zijn dan een planeet. Volgens deze studie zijn er 6 exokometen aangetoond rond de ster KIC 3542116. Dit is een ster van spectraalklasse F2V die zich op een afstand van ongeveer 800 lichtjaar van de Aarde bevindt. Deze objecten zijn de kleinste objecten die nu met behulp van de transitie fotometrie methode zijn ontdekt.

Het onderzoek, met de titel “Likely Transiting Exocomets Detected by Kepler”, is onlangs gepubliceerd in de Monthly Notices van de Royal Astronomical Society. Het onderzoek werd geleid door Saul Rappaport van het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT. In het team bevonden zich ook amateurastronomen, leden van het Harvard-Smithonian Center for Astrophysics, de Universiteit van Texas, Northeastern University en het Ames Research Center van de NASA.

Het is voor het eerst dat de transitie fotometrie methode is gebruikt voor het aantonen van objecten die zo klein als een komeet zijn. Deze kometen waren ballen van stof en ijs, in grootte vergelijkbaar met de komeet van Halley, die zich voortbewogen met een snelheid van ongeveer 160.000 kilometer per uur voor ze verdampten. De onderzoekers waren in staat om ze aan de hand van hun staart te detecteren. Deze staart bestaat uit wolken van gas en stof en ontstaat als kometen dichter bij hun ster komen en beginnen te verdampen. Het aantonen van deze staarten was erg lastig omdat ze minder dan 0,1% van het sterlicht deden afnemen.

De oorspronkelijke ontdekking staat op naam van Thomas Jacobs, een amateurastronoom uit Washington die lid is van de Planet Hunters. Het Planet Hunters project werd opgezet door de Universiteit van Yale en bestaat uit amateurastronomen die in hun vrije tijd op zoek gaan naar exoplaneten. Leden van de groep krijgen toegang tot de gegevens van de Kepler Space Telescope in de hoop dat ze iets ontdekken dat door de computeralgoritmes die door de professionele wetenschappers worden gebruikt, over het hoofd wordt gezien.

In januari 2017 begon Jacobs met het scannen van vier jaar aan gegevens die de Kepler tijdens zijn hoofdmissie had verzameld. Tijdens deze fase, die duurde van 2009 tot 2013, scande de Kepler meer dan 200.000 sterren en verrichte de telescoop metingen aan de lichtcurves van die sterren. Na vijf maanden onderzoek merkte Jacobs op 18 maart 2017 verschillende vreemde lichtpatronen in de achtergrondruis van de ster KIC 3542116.

Zoals Jacobs het zelf zei: Het is een kwestie van geduld en volhouden als je in de gegevens van de Kepler op zoek bent naar interessante objecten maar voor mij is dit een vorm van schatgraven wetende dat er iets interessants tussen zit dat ontdekt moet worden. Het gaat allemaal over verkenning en het jagen op iets waar slechts weinigen voorheen zijn geweest.

Jacobs was specifiek op zoek naar enkelvoudige transities die vermoedelijk niet door planeten in een baan om een ster worden veroorzaakt. Toen hij de gegevens van KIC 3542116 bekeek vielen hem drie enkelvoudige (niet periodieke) transities op. Hij waarschuwde Rappaport en Vandenburg, een astrofysicus van de Universiteit van Texas. Jacobs had al voorheen met beide mannen samengewerkt en hij vroeg hun om hun mening over deze bevindingen.

Het interpreteren van de gegevens was uitdagend maar werd wel beloond. In eerste instantie zagen ze dat de lichtcurves niet overeen kwamen met die van planeetovergangen die gekenmerkt worden door een sterke en plotselinge afname van de lichtcurve. Rappaport merkte op dat de drie lichtcurves niet symmetrisch waren en dat ze enigszins leken uit op uiteengevallen planeten die eerder al waren waargenomen.

Het duurde een maand voordat ze een idee hadden waarna ze aan het kijken waren. Het enige object dat een dergelijke lichtcurve zou kunnen veroorzaken is een object dat dit eenmalig doet en vermoedelijk aan het eind wordt vernietigd. Het enige object dat hiermee overeen kan komen en klein genoeg is om vernietigd te worden is een komeet.

Hun berekeningen toonden aan dat iedere individuele komeet het sterlicht met 0,1% deed afnemen. Ze concludeerden hieruit ook dat de komeet vermoedelijk helemaal uit elkaar valt waarbij een stofspoor ontstaat dat groot genoeg is om het sterlicht enkele maanden tegen te houden alvorens helemaal te verdwijnen. Nadat er aanvullende waarnemingen waren verricht werden er nog drie andere transities uit dezelfde periode gevonden die overeenkwamen met die door Jacobs gevonden.

Het feit dat deze zes exokometen in de afgelopen vier jaar erg dicht langs hun ster zijn gekomen riep enkele interessante vragen. De antwoorden op deze vragen zouden grote gevolgen kunnen hebben voor het extra-solaire onderzoek maar ook onze kennis over ons eigen zonnestelsel kunnen doen toenemen. Zoals Vandenburg het formuleerde:

Waarom bevinden er zich zoveel kometen in de binnenste delen van dergelijke stersystemen? Vind er een zwaar bombardement plaats in deze systemen? Het “Late Heavy Bombardement” was een belangrijk onderdeel in het ontstaan van ons eigen zonnestelsel en het heeft er vermoedelijk voor gezorgd dat de Aarde veel water bevat. Het bestuderen van exokometen en het uitvinden waarom ze bij sterren van dit type voorkomen kan inzichten verschaffen over hoe een dergelijk bombardement in ander zonnestelsels plaatsvindt.

Tussen 3,8 en 4,1 miljard jaar geleden was de komeetactiviteit in ons zonnestelsel ook erg hoog. Deze periode staat bekend als het “Late Heavy Bombardment” en tijdens deze periode sloegen veel kometen en asteroïden in op objecten in de binnenste delen van het zonnestelsel. Men denkt dat deze periode van zware bombardementen verantwoordelijk is voor de hoeveelheid water op Aarde en andere aardse planeten.

De ster KIC 3542116 is een ster van spectraalklasse F2V. Dit zijn geelwitte sterren met een massa van 1 tot 1,4 zonsmassa die relatief helder zijn. Omdat de massa en de grootte van die sterren vergelijkbaar is met die van onze Zon is het mogelijk dat ze door eenzelfde periode van bombardementen meemaken als ons eigen zonnestelsel ooit heeft meegemaakt. Deze sterren waarnemen kan ons dus meer leren over de evolutie van ons eigen zonnestelsel miljarden jaren geleden.

Het het belang van het onderzoek voor de astrofysica en de astronomie is het onderzoek ook belangrijk omdat het de rol van amateurwetenschappers aantoont. Zonder het onvermoeibare en nauwkeurige speurwerk van Jacobs die in zijn vrije tijd door de gegevens van de Kepler zit te speuren was deze ontdekking niet gedaan.

Door het werk van Jacobs en andere amateurwetenschappers kunnen zoekalgoritmes die computers gebruiken om automatisch door de gegevens van de Kepler struinen aangepast worden zodat ze meer kunnen vinden.

In de nabije toekomst zal de TESS, de Transiting Exoplanet Survey Telescope, het werk van de Kepler voortzetten.

Eerste publicatie: 31 oktober 2017
Bron: diverse persberichten, UniverseToday