Gravitationele microlensing – op zoek naar exoplaneten

artist impression van een exoplaneet
Artist impression van een exoplaneet met de massa van 0.5 * Jupiter op een afstand van 13.000 lichtjaar van de Aarde. De planeet werd ontdekt met behulp van OGLE en de Spitzer telescoop met behulp van microlensing.. De Spitzer telescoop zorgde voor parallax-metingen die astronomen konden gebruiken om de afstand tot de planeet te berekenen. Credit: Christine Pulliam (CfA)

De afgelopen tien jaar is de jacht op exoplaneten sterk opgevoerd. Met dank aan sterk verbeterde waarneemmethodes en technieken is het aantal waargenomen exoplaneten gegroeid tot 3710 planeten in 2780 verschillende stersystemen waarvan 621 stersystemen meerdere planeten bevatten (stand 1 december 2017). Helaas is het overgrote deel van deze exoplaneten ontdekt met behulp van indirecte methodes en zijn ze dus nog nooit rechtstreeks waargenomen.

Een van de gebruikte methodes voor het indirect waarnemen van exoplaneten wordt gravitationele microlensing genoemd. Deze methode berust op het feit dat de gravitationele kracht van verre objecten licht afkomstig van een ster kan afbuigen. Als een planeet dan, ten opzichte van de waarnemer, voorlangs de ster beweegt (we noemen dit een transitie) dan neemt de hoeveelheid licht meetbaar af en dat kan dan gebruikt worden om de aanwezigheid van een planeet aan te tonen.

Gravitationele microlensing is een verkleinde versie van de zogenoemde zwaartekrachtlenzen waarbij bijvoorbeeld een cluster van sterrenstelsels wordt gebruikt om het licht van een veel verder weg gelegen sterrenstelsel te focusseren en zo te kunnen waarnemen. Daarnaast wordt bij gravitationele microlensing ook gebruik gemaakt van de zeer efficiënte transitiemethode waarbij sterren worden gevolgd op periodieke helderheidsafnames die duiden op de aanwezigheid van een planeet.

Gravitationele microlensing
Gravitationele microlensing. Credit: wikimedia, public domain

Beschrijving

Volgens de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein veroorzaakt de zwaartekracht krommingen in de ruimte-tijd. Dit effect zorgt ervoor dat licht wordt afgebogen door de zwaartekracht van een ander object. Het kan ook fungeren als een lens waarbij licht wordt gebundeld (gefocusseerd) waarbij verre objecten (zoals sterren of sterrenstelsels) helderder worden voor de waarnemer. Dit effect treedt alleen op als twee sterren ten opzichte van de waarnemer op een nagenoeg rechte lijn van elkaar staan. Dat wil zeggen: de ene ster moet zich bijna exact voor de andere ster bevinden.

Deze lenseffecten duren relatief kort maar omdat de Aarde en de sterren in ons sterrenstelsel altijd ten opzichte van elkaar bewegen komen ze wel veel voor. Ze duren enkele dagen tot enkele weken en de afgelopen tien jaar zijn er meer dan 1000 waargenomen. Dit effect werd in 1919 door Sir Arthur Eddington gebruikt om het eerste bewijs te leveren voor de juistheid van de Algemene Relativiteitstheorie.

Dit was tijdens de totale zonsverduistering van 29 mei 1919 toen Eddington en een wetenschappelijk team naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika reisden om opnames te maken van de sterren die tijdens de verduistering in de omgeving van de Zon zichtbaar waren. De foto’s bevestigden de voorspelling van Einstein door te laten zien hoe licht van deze sterren een beetje was afgebogen door het zwaartekrachtsveld van de Zon.

De astronomen Shude Mao en Bohdan Paczynski waren in 1991 de eersten die voorstelden om deze techniek in te zetten om de naar begeleiders van sterren te zoeken. Hun voorstel werd in 1992 door de astronomen Abraham Loeb en Andy Gould verfijnd om gebruikt te worden als een methode om exoplaneten te detecteren. De methode werkt het beste als er gezocht wordt naar planeten in de richting van het centrum van ons sterrenstelsel omdat de kern van ons sterrenstelsel veel achtergrondsterren bevat.

Voordelen

Microlensing is de enige bekende methode om exoplaneten te ontdekken die zich op hele grote afstand van de Aarde bevinden en de methode kan gebruikt worden om kleine exoplaneten te detecteren. De radiale snelheidsmethode wordt gebruikt voor planeten tot op 100 lichtjaar afstand van de Aarde en de transitiefotometrie methode gaat tot enkele honderden lichtjaren. Met microlensing kunnen planeten worden gevonden die duizenden lichtjaren van de Aarde zijn verwijderd.

De andere methodes zijn niet goed in staat om de kleinere planeten te vinden maar met microlensing kunnen planeten worden gevonden die zich 1 tot 10 Astronomische Eenheden van zonachtige sterren bevinden. Gekoppeld aan de radiale snelheidsmethode en de transitiemethodes is het een gevoelige techniek die de aanwezigheid van exoplaneten kan bevestigen maar ook gebruikt kan worden om uitspraken te doen over de grootte en de massa van een planeet.

Alles bij elkaar maken deze voordelen dat de microlensingmethode de meest efficiënte methode is om aardachtige planeten rond zonachtige sterren te vinden (alleen of gecombineerd met andere methodes). Daarnaast is microlensing geschikt om met behulp van aardse telescopen uitgevoerd te worden. Net zoals de transitiefotometrie-methode kan microlensing worden toegepast om tienduizenden sterren tegelijkertijd te volgen.

Nadelen

Natuurlijk kleven er ook nadelen aan de methode. Microlens-gebeurtenissen zijn uniek en eenmalig. Planeten die met behulp van deze methode worden gevonden kunnen niet opnieuw met deze methode worden waargenomen. Daarnaast is vervolgonderzoek naar planeten die op zeer grote afstand worden waargenomen nagenoeg onmogelijk. Dit maakt dat microlensing een geschikte methode is om kandidaat-planeten op te sporen maar niet bijzonder geschikt is om kandidaat-planeten te bevestigen.

Een ander probleem met microlensing is dat er een redelijk grote foutenmarge op het bepalen van de karakteristieken van een planeet. Microlensing kan alleen ruwe schattingen geven over de afstand van een planeet. Dit betekent dat planeten die tienduizenden lichtjaren van de Aarde zijn verwijderd een marge opleveren van enkele duizenden lichtjaren.

Microlensing alleen kan ook niet gebruikt worden om het nauwkeurig bepalen van de grootte van een planeet en ook schattingen van de massa van een planeet zijn erg onnauwkeurig. Ook de baankenmerken van een planeet zijn erg lastig te bepalen. Dit houdt in dat van een planeet met een excentrische baan alleen maar een klein gedeelte van de baan kan worden bepaald en dat is het deel van de baan waarin de planeet het verst van de ster is verwijderd.

Het gravitationele microlens effect wordt groter als de verhouding tussen planeet en ster toeneemt waardoor er gemakkelijker planeten bij een baan rond sterren met een lage massa gedetecteerd kunnen worden. Dit zorgt ervoor dat deze methode geschikt is om rotsachtige planeten in een baan om rode dwergen te vinden maar minder effectief is bij het detecteren van planten bij zwaardere sterren. Daarnaast is microlensing ook afhankelijk van zeldzame en onvoorspelbare gebeurtenissen – vanaf de Aarde gezien moet een planeet voorlangs een ster trekken – waardoor waarnemingen zowel zeldzaam als onvoorspelbaar zijn.

Voorbeelden van gravitationeel microlensing onderzoek

Er zijn verschillende onderzoeken waarbij men gebruik maakt van de microlensing-methode om exoplaneten p te sporen. Zo loopt vanaf de universiteit van Warschau in Polen het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE). Hiervoor wordt de 1.3 meter Warschau-telescoop ingezet van de Las Campanas sterrenwacht in Chili. OGLE zoekt naar microlensing gebeurtenissen in een veld van ongeveer 100 sterren die zich in de galactische halo bevinden.

Ook MOA (Microlensing Obervations in Astrophysics) gebruikt de techniek om te zoeken naar donkere materie, exoplaneten en atmosferen van sterren. Het is een samenwerkingsverband van Nieuw-Zeeland en Japan. De apparatuur staat opgesteld aan het zuidelijk halfrond.

Ook PLANET Probing Lensing Anomalies NETwork) is actief met 5 1-meter telescopen die verspreid over het zuidelijk halfrond staan.

Andere methodes om exoplaneten op te sporen

 

Eerste publicatie: 4 februari 2018
Bron: UniverseToday