De transitiemethode – op zoek naar exoplaneten

exoplaneet - transitie
Artist impression van een exoplaneet die doorlangs zijn ster trekt. Credit: QUB Astrophysics Research Center

Eeuwenlang hebben astronomen gespeculeerd over het bestaan van planeten bij andere sterren. Met ergens tussen de 100 en 400 miljard sterren alleen al in ons sterrenstelsel leek het tenslotte heel erg onwaarschijnlijk dat onze ster de enige zou zijn met planeten. Maar het is pas enkele tientallen jaren geleden dat astronomen er in slaagden om het bestaan van planeten bij andere sterren te bevestigen.

Astronomen gebruiken verschillende methodes om het bestaan van exoplaneten te bevestigen. De meeste methodes zijn indirecte methodes en van deze indirecte methodes wordt de methode van transitie fotometrie het meest gebruikt en deze methode is ook het meest efficiënt. Deze methode meet de lichtcurve van verre sterren op periodieke dips in de helderheid. Deze dipjes zijn het resultaat van exoplaneten die voorlangs de ster bewegen (dit noemen we “transitie”) ten opzichte van de waarnemer.

Deze veranderingen worden gekenmerkt door kleine dipjes die een vaste periode hebben. Deze dipjes liggen liggen vaak in de buurt van 1/10.000-ste van de algehele helderheid van de ster en duren slechts enkele uren. De veranderingen in helderheid zijn periodiek, de dipjes in helderheid zijn altijd hetzelfde en duren altijd even lang. Uitgaande van hoe veel het sterlicht afneemt kunnen astronomen belangrijke informatie over de exoplaneten berekenen en afleiden.

Om al deze redenen wordt transitie fotometrie gezien als een robuuste en betrouwbare methode om exoplaneten te detecteren. Van de 3526 exoplaneten die op moment van schrijven zijn bevestigd zijn er 2771 bevestigd met behulp van de transitie methode en dat is meer dan alle andere methodes bij elkaar.

Voordelen

Eén van de grote voordelen van transitie fotometrie is de manier waarop nauwkeurige metingen gedaan kunnen worden van de grootte van de planeten. Deze zijn gebaseerd op de mate waarin de lichtcurve van de ster verandert als resultaat van de transitie. Een kleine planeet zal een kleine verandering in helderheid veroorzaken en een grote planeet zal een grotere, beter zichtbare verandering veroorzaken.

Als dit wordt gecombineerd met de radiale snelheidsmethode (die de massa van de planeet kan bepalen) dan kan men de dichtheid van een planeet berekenen. Hieruit kunnen astronomen iets zeggen over de structuur en de samenstelling van de planeet, bijvoorbeeld of het een gasplaneet of een rotsplaneet is. De exoplaneten die we met beide methodes hebben kunnen waarnemen zijn de best gekarakteriseerde van alle bekende exoplaneten.

Naast het bepalen van de diameter van planeten kan transitie fotometrie ook een bijdrage leveren aan het bestuderen van de atmosfeer van een planeet met behulp van spectroscopie. Als licht van een ster door de atmosfeer van een planeet passeert dan kan het resulterende spectrum gebruikt worden voor het bepalen van de aanwezige elementen en dus iets zeggen over de chemische samenstelling van de atmosfeer.

Tenslotte kan transitie fotometrie ook helpen bij het bepalen van zaken als temperatuur en straling. De techniek kan zelfs gebruikt worden om de aanwezigheid van wolkenformaties in de atmosfeer van de exoplaneet te bepalen.

Nadelen

Transitie fotometrie kent ook een paar grote nadelen. Ten eerste zijn planeetovergangen alleen zichtbaar als de baan van de planeet perfect gepositioneerd is ten opzichte van de waarnemer. De waarschijnlijkheid dat de baan van een planeet samenvalt met het gezichtspunt van de waarnemer is gelijk aan de verhouding van de diameter van de ster tot de diameter van de baan.

Hierdoor zijn slechts ongeveer 10% van alle planeten met een korte baan goed zichtbaar en dit neemt af voor planeten met een langere omloopperiode. Dit betekent dus dat de transitiemethode niet kan garanderen dat een bepaalde waargenomen ster inderdaad planeten heeft. Om deze reden is de transitiemethode het meest effectief als er duizenden of honderdduizenden planeten worden tegelijkertijd worden waargenomen.

De transitiemethode kent ook een groot aantal vals positieve resultaten. In sommige gevallen tot 40% als het gaat om enkelvoudige planeetsystemen (gebaseerd op een studie uit 2012 over de Kepler missie). Dit maakt het noodzakelijk dat er vervolgwaarnemingen worden uitgevoerd die veelal op een andere methode berusten. Het aantal vals positieve resultaten neemt echter af als er meerdere planeten bij een ster zijn gevonden.

De transitiemethode kan veel vertellen over de diameter van een planeet maar kan geen nauwkeurige schatting geven van de massa van een planeet. Om de massa van een planeet te bepalen is de radiale snelheidsmethode het betrouwbaarste. Bij deze methode kijken astronomen naar het “wiebelen” van een ster om op die manier de aantrekkingskrachten die er door planeten op worden uitgerust, te bepalen.

Samengevat kent de transitiemethode haar beperkingen en is ze het meest effectief als ze gecombineerd wordt met andere methodes maar desondanks blijft het de meest gebruikte methode voor “primaire detectie”- het detecteren van kandidaat exoplaneten die later met een andere methode worden bevestigd – en is verantwoordelijk voor meer ontdekkingen van exoplaneten dan alle andere methodes gecombineerd.

Transitie fotometrie missies & -onderzoeken

Transitie fotometrie wordt door verschillende sterrenwachten op Aarde en telescopen in de ruimte toegepast. Het merendeel bevindt zich op de Aarde. Het zijn bestaande telescopen gecombineerd met uiterst geavanceerde fotometers. Voorbeelden zijn onder andere de Super Wide Angle Search for Planets (SuperWASP), dit is een internationaal onderzoek dat gebruik maakt van de Roque de los Muchachos Sterrenwacht en de South African Astronomical Sterrenwacht.

Maar er is ook de Hungarian Automated Telescope Network (HATNet) dat bestaat uit zes kleine, volledig geautomatiseerde telescopen en dat wordt gecoördineerd door het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Het MEarth Project is een ander project. Dit project maakt gebruik van een gerobotiseerd observatorium dat het Fred Lawrence Whipple Observatory (FLWO) in Arizona combineert met het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili.

KELT - Souuth
Foto van de KELT South telescope. Credit: Vanderbilt University

Er is ook nog de Kilodegree Extremely Little Telescope (KELT), een samenwerkingsverband tussen de Ohio State Universiteit, de Vanderbilt Universiteit, Lehigh Universiteit en de South African Astronomical Society (SAAO). Dit onderzoek maakt gebruik van twee telescopen, het Winer Observatorium in het zuidoosten van Arizona en het Sutherland Astronomical Observatorium Station in Zuid-Afrika.

Van de ruimtetelescopen is de Kepler Space Telescope van de NASA de bekendste. Tijdens de oorspronkelijke missie die van 2009 tot 2013 duurde ontdekte de Kepler 4496 kandidaat planeten en werd het bestaan van 2337 planeten bevestigd. In november 2013 werd de K2-missie gestart en tijdens deze missie zijn er nog eens 515 gevonden en 178 bevestigd.

Ook de Hubble Space Telescope heeft een bijdrage geleverd in het planeetonderzoek. Tijdens de Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search (SWEEPS) die in 2006 werd uitgevoerd bestudeerde de Hubble 180.000 sterren in het centrale gedeelte van ons sterrenstelsel. Hierbij werd het bestaan van 16 exoplaneten bevestigd.

Ook de Europese COROT (Convection Rotation et Transits planétaires) die tussen 2006 en 2012 de sterrenhemel afspeurde ontdekte verschillende exoplaneten. De Europese GAIA-missie die in 2013 werd gelanceerd en die een driedimensionale catalogus van meer dan 1 miljard astronomische objecten moet opstellen zal een bijdrage leveren aan het onderzoek naar exoplaneten.

In maart 2018 zal de NASA de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) lanceren. TESS zal gebruik maken van de transitiemethode om exoplaneten te detecteren. De telescoop zal ook gebruikt worden om doelen voor de James Webb Space Telescope (JWST) te selecteren. De JWST zal in 2019 gelanceerd worden. Tussen deze missies in verwacht men dat er vele duizenden exoplaneten worden bevestigd en gekarakteriseerd.

Met dank aan technologische en methodologische verbeteringen worden exoplaneten de laatste jaren steeds sneller gevonden. Ondertussen zijn er duizenden exoplaneten bevestigd en begint de aandacht te verschuiven naar het karakteriseren van deze planeten zodat we meer leren over hun atmosferen en de condities aan hun oppervlak.

Er staan verschillende nieuwe missie sop stapel die de komende tientallen jaren ongetwijfeld voor vele nieuwe ontdekkingen gaan zorgen.

Andere methodes om exoplaneten op te sporen

Eerste publicatie: 16 december 2017
Bron: UniverseToday

We doen ons best om alle artikelen zonder taal-, tik- en inhoudelijke fouten te plaatsen maar ondanks alle controle zie je zelf vaak je eigen fouten niet meer. Daarom stellen we het uitermate op prijs als je een fout komt melden!
Als je een spelfout hebt gevonden selecteer dan a.u.b. de tekst en druk Ctrl+Enter. Heb je een inhoudelijke fout gevonden, schrijf dan in het commentaarveld wat er volgens jou niet correct is.
We proberen alle gemelde fouten zo snel als mogelijk te verbeteren. Omdat de meldingen anoniem zijn vindt er geen communicatie plaats met de indiener. We houden ons het recht voorbehouden om meldingen niet te verwerken.