Op zoek naar exoplaneten – de radiale snelheidsmethode

Corot-7b, artist impression
Artist impression van Corot-7b in een baan om zijn ster. Door ESO/L. Calçada – ESO, CC BY 4.0, Link

De laatste tien jaar is de zoektocht naar exoplaneten in een stroomversnelling gekomen. Dankzij verbeteringen van instrumenten en methodes zijn er ondertussen (stand 1 december 2017) 3710 planeten in 2780 verschillende stersystemen ontdekt waarvan 621 stersystemen meerdere planeten bevatten. Als gevolg van astronomische beperkingen is helaas het overgrote deel van deze planeten ontdekt met behulp van indirecte methodes.

Van deze indirecte methodes is de radiale snelheidsmethode de meest efficiënte en meest populaire. Deze methode is ook bekend als Doppler spectroscopie. De methode berust op het waarnemingen van spectra van sterren naar tekenen van een minieme wiebeling: de ster beweegt zich naar de Aarde toe of van de Aarde af. Deze beweging wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van planeten die hun zwaartekracht uitoefenen op hun ster.

Omschrijving

De radiale snelheidsmethode kijkt eigenlijk helemaal niet naar signalen van planeten elf maar kijkt alleen naar bewegingen van de ster zelf. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van een extreem gevoelige spectrometer die de verplaatsing van de spectraallijnen van de ster meet als gevolg van het Dopplereffect. Dit is de verschuiving van het licht van de ster naar het rode einde van het spectrum of naar het blauwe einde van de spectrum (we noemen dit de roodverschuiving of de blauwverschuiving).

 

Schema radiale snelheidsmethode
Het diagram legt de radiale snelheidsmethode (Dopplermethode) uit. Credit: Las Cumbres Observatory

Deze verschuivingen geven aan of de ster van ns vandaan beweegt (roodverschuiving) of naar ons toe beweegt (blauwverschuiving. Uitgaande van de snelheid van de ster kunnen astronomen berekenen of er een of meerdere planeten bij de ster aanwezig zijn. De snelheid waarmee de ster om het centrum van zijn massa draait is veel kleiner dan die van een planeet maar desalniettemin zijn de huidige spectrometers nauwkeurig genoeg om dit te kunnen meten.

Tot 2012 was dit de meest effectieve methode om exoplaneten te vinden maar sinds die tijd is de methode voorbijgestreefd door de transitie fotometrie. Desalniettemin blijft de radiale snelheidsmethode een effectieve methode die vaak samen met de transitie fotometrie wordt gebruikt om het bestaan van planeten te bevestigen en iets te zeggen over de grootte en de massa van de gevonden planeten.

Voordelen

De radiale snelheidsmethode was de eerste succesvolle methode om exoplaneten te detecteren. De methode heeft bij het identificeren van zowel nabije exoplaneten (zoals Proxima b en TRAPPIST-1) als ver verwijderde exoplaneten (zoals COROT-7c) een hoog slagingspercentage. Een van de voordelen is dat de methode het mogelijk maakt om de excentriciteit van de baan van de planeet rechtstreeks te bepalen.

De radiale snelheidsmethode kan onafhankelijk van de afstand gebruikt worden maar om een goede nauwkeurigheid te bereiken heeft de methode wel een grote signaal-ruisverhouding nodig. De methode wordt daarom vooral toegepast om naar planeten met een lage massa te zoeken bij sterren binnen een afstand van ongeveer 160 lichtjaar maar kan ook gebruikt worden voor het zoeken naar gasreuzen op afstanden van een paar duizend lichtjaar.

De radiale snelheidsmethode is in staat om planeten te detecteren bij sterren met ene lage massa zoals bijvoorbeeld rode dwergen (M-type sterren). Dit komt omdat sterren met een lage massa meer beïnvloed worden door de aantrekkingskracht van planeten en omdat dergelijke sterren meestal relatief langzaam om hun as draaien waardoor spectraallijnen veel duidelijker zijn. Dit zorgt ervoor dat de radiale snelheidsmethode om twee redenen erg geschikt is.

Ten eerste zijn rode dwergen de meest voorkomende groep sterren i het heelal. Ongeveer 70% van alle sterren in spiraalstelsels en 90% van de sterren in elliptische stelsels zijn rode dwergen. Ten tweede laten recente onderzoeken zien dat sterren met een lage massa de meest waarschijnlijke plek zijn om rotsachtige, aardse planeten te vinden. De radiale snelheidsmethode is daarom zeer geschikt voor het bestuderen van aardse planeten in een nauwe baan om rode dwergsterren waarbij die planeten zich dan ook nog eens in hun bewoonbare zone gevonden kunnen worden.

Een ander groot voordeel van de radiale snelheidsmethode is het feit dat de methode nauwkeurige grenzen kan stellen aan de massa van een planeet. Ofschoon de radiale snelheid van een ster alleen de minimale massa van een planeet kan aangeven kan men doordat men onderscheid kan maken tussen de spectraallijnen van de ster en de spectraallijnen van de planeet ook de radiale snelheid van de planeet bepalen.

Dit zorgt ervoor dat astronomen de inclinatie van de baan van de planeet kunnen berekenen en daaruit kan dan de werkelijke massa van de planeet worden bepaald. Op deze manier worden vals positieve metingen voorkomen en worden er ook gegevens verzameld die gebruikt kunnen worden om de samenstelling van de planeet te berekenen. Het grootste probleem is wel dat dit alleen gedaan kan worden als de planeet rond een relatief heldere ster draait en de planeet zelf veel licht weerkaatst.

Per december 2017 waren van alle ontdekte exoplaneten (zowel kandidaat als bevestigd) er 622 ontdekt met behulp van de radiale snelheidsmethode alleen – dat is ongeveer 30% van het totaal.

Nadelen

De radiale snelheidsmethode heeft ook een aantal nadelen. Met een enkele telescoop is het niet mogelijk om honderden of duizenden sterren simultaan waar te nemen zoals met de transitiemethode wel mogelijk is. Daarnaast kan Doppler spectrografie soms tot vals positieve resultaten leiden en dan in het bijzonder bij meervoudige planeet- en stersystemen.

Dit wordt vaak veroorzaakt door de aanwezigheid van magneetvelden en bepaalde types van steractiviteit maar kan ook worden veroorzaakt door een gebrek aan gegevens omdat sterren meestal niet voortdurend worden waargenomen. Echter, deze tekortkomingen kunnen worden goedgemaakt door methoden van de radiale snelheid te koppelen aan andere methodes zoals de populaire en efficiënte transitie fotometrie.

Ofschoon het mogelijk is, door onderscheid te maken tussen de spectraallijnen van de ster en van een planeet meer te zeggen over de massa van die planeet is dit alleen echt werkbaar als die planeten rond een relatief heldere ster draaien en de planeet veel licht weerkaatst. Daarnaast vertonen planeten met een grote baaninclinatie (ten opzichte van de waarnemer) kleinere zichtbare wiebelingen en zijn daardoor ook vele malen lastiger te detecteren.

Uiteindelijk is de radiale snelheidsmethode het meest efficiënt als de waarnemingen ervan gekoppeld worden aan de transitie fotometriemethode waarbij die laatste methode moet zorgen door de bevestiging dat de planeet echt bestaat. Als beide methodes simultaan worden gebruikt dan kan het bestaan van een planeet niet alleen worden bevestigd maar kunnen ook straal en massa worden berekend.

Radiale snelheidsonderzoeken

Er zijn verschillende observatoria waar de radiale snelheidsmethode wordt toegepast om planeten op te sporen.  Zo is aan de 3,6 meter telescoop van de Europese La Silla sterrenwacht in Chili de HARPS gekoppeld: de High Accuracy Radial velocity Planet Searcher. Ook de telescopen van de Keck sterrenwacht op Mauna Kea op Hawaii zijn uitgerust met de HIRES, de HIgh Resolution Echelle Spectrometer.

Dichter bij huis is de 1,93 meter telescoop van het L’Observatoire de Haute Provence in het zuiden van Frankrijk uitgerust met de ELODIE-spectrometer. Hiermee werd in 1995 51 Pegasi b gevonden, de eerste hete Jupiter in een baan om een hoofdreeksster. In 2006 werd ELODIE met pensioen gestuurd en vervangen door de SOPHIE-spectrograaf.

In 2019 zal de James Webb Space Telescope gelanceerd worden en men verwacht dat onderzoeken die gebruik maken van de radiale snelheidsmethode dan een flinke boost zullen krijgen. De JWST zal met behulp van zijn geavanceerde infrarode instrumenten Dopplermetingen van sterren gaan uitvoeren om zo de aanwezigheid van kandidaat exoplaneten te bepalen. Van die kandidaten zullen er dan bevestigd worden door de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) die in 2018 gelanceerd moet worden.

Dankzij technologische en methodologische verbeteringen zullen er steeds meer exoplaneten ontdekt worden. Ondertussen zijn er duizenden exoplaneten bekend en verschuift de aandacht meer en meer naar het karakteriseren van deze planeten om zo meer te leren over hun atmosferen en de condities aan hun oppervlak. In de tientallen jaren zullen er vermoedelijk belangrijke ontdekkingen worden gedaan.

Zie ook: de transitiemethode – op zoek naar exoplaneten

Eerste publicatie:
Bron: UniverseToday, NASA, ESO, Wikipedia

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.