Het vinden van nieuwe planeten met daarop misschien wel aanwijzingen voor leven is een speerpunt binnen de astronomie. De ruimtetelescopen PLATO en Ariel, waaraan Nederlandse onderzoekers meewerken, moeten een overvloed aan nieuwe werelden opsporen en onderzoeken.
Een deel van de spiegels van ruimtetelescoop James Webb in het laboratorium.
NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given via publiek domeinEen gedachte-experiment: we geven aliens op een planeet rondom een buurster ónze wetenschappelijke technologie, zoals de enorme ruimtetelescoop James Webb of het Kepler-observatorium dat ruim 2500 planeten ontdekte. Hoeveel planeten zouden ze dan vanaf die afstand in óns zonnestelsel kunnen waarnemen? Het antwoord is nul. Dat laat zien dat er ondanks de technologische hoogstandjes die we de ruimte in schieten, nog een wereld te winnen is. Met de Europese ruimtetelescopen PLATO en Ariel krijgen wetenschappers in respectievelijk 2026 en 2029 nieuwe troeven in handen om te zoeken naar planeten, maar het ontdekken van een zusje van de aarde blijft lastig.
Zwarte doos met gouden vleugels
In de centrale hal van het nieuwe gebouw van het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek SRON in Leiden hangt een miniatuurversie van PLATO op een prominente plek niet ver van de koffieautomaat. De ruimtetelescoop ziet eruit als een soort zwarte doos met twee gouden vleugels. De echte PLATO is een paar keer groter en hangt straks op een afstand van zo’n 1,5 miljoen kilometer van de aarde in de ruimte. Vanaf daar gaat de telescoop minimaal vier jaar lang speuren naar werelden rondom andere planeten dan de zon, en zo de grootste inventarisatie van exoplaneten tot nu toe maken. Naar verwachting vindt PLATO tienduizenden nieuwe planeten, die komen boven op de ruim vijfduizend planeten die we al kennen.
Artist’s impression van ruimtetelescoop PLATO.
ESAHet levert een wetenschappelijke ‘snoeptrommel’ op voor onderzoekers die kijken naar hoe planetenstelsel zich vormen rondom kersverse sterren. Dat is een proces waar nog verrassend veel over onduidelijk is. We hebben namelijk een redelijk beeld van welgeteld één planetenstelsel: dat van onszelf. Uit de exoplaneten-snoeptrommel kiezen astronomen uiteindelijk duizend werelden die ruimtetelescoop Ariel vanaf 2029 onder de loep neemt. Deze vervolgmissie van PLATO is bedoeld om informatie te verzamelen over de samenstelling van de atmosfeer die de planeten mogelijk hebben.
Dipjes in het licht
Eerder berekenden astronomen op basis van het aantal reeds ontdekte planeten dat vrijwel elke ster in de Melkweg een of meerdere planeten heeft. PLATO moet (een extreem klein deel van) die werelden vinden. Door de enorme afstanden tussen sterren is dat moeilijk. Extra lastig is dat planeten een relatief zwak lichtschijnsel hebben ten opzichte van de felle ster waar ze pal naast staan – vergelijk het met de vrijwel onmogelijk taak van het fotograferen van een vuurvliegje direct naast een bouwlamp.
De 26 camera’s van PLATO in een vacuümkamer, die de omstandigheden in de ruimte nabootst.
ESA-RemediaPLATO gaat daarom niet proberen om direct een foto te maken van de werelden, maar speurt met 26 camera’s tegelijk naar kleine dipjes in het licht van een van de sterren waar hij naar kijkt. Met veel geduld kun je zo planeten ontdekken op het moment dat ze voor hun ster bewegen. Enkele uren lang lijkt de ster dan namelijk een beetje minder helder te schijnen. Een grote planeet, zoals Jupiter, kan onze zon voor ongeveer een procent ‘verduisteren’; een planeet ter grootte van de aarde neemt slechts een hapje van 0,008 procent uit het zonlicht. De effecten zijn dus subtiel en om dit betrouwbaar te kunnen registeren heeft PLATO gevoelige camera’s nodig, waarmee de telescoop zo’n honderd- tot tweehonderdduizend sterren tegelijk in het vizier houdt.
Ingenieurs inspecteren in het lab een van de lenzen van ruimtetelescoop PLATO. Met een uv-lamp kijken ze of er stof op de lens zit.
Netherlands Institute for Space Research SRON met toestemmingAcht van die camera’s reizen de komende tijd naar Groningen voor een grondige test; de andere camera’s komen op de testbank in Frankrijk en Spanje. Wetenschappers van SRON hebben in hun lab een klein stukje ‘ruimte’ gemaakt. Daarvoor hebben ze een afgesloten en stofvrije kamer vacuüm getrokken. De temperatuur van de camera zakt er tot honderdnegentig graden onder nul, de ‘werktemperatuur’ in de ruimte. De tests zijn onder meer gericht op de gevoelige plaat die de sterren (en planeten daaromheen) straks vastlegt, en op de lenzen. Is de focus goed? Zijn de sensoren zo gevoelig als de Britse fabrikant belooft? Bovendien: PLATO bevindt zich na lancering op 1,5 miljoen kilometer van de aarde, waardoor reparaties zijn uitgesloten. “Voor de test plaatsen we een kleine lichtbron voor de camera. Dit lichtpuntje stelt een ster voor die we willen waarnemen. Door de camera te bewegen kunnen we alle pixels van het apparaat testen, ruim tachtig miljoen per camera”, zegt Lorenza Ferrari, die bij SRON de testcampagne leidt.
Planeetovergangen
In de vierjarige ruimtemissie van PLATO gaan de camera’s elke ster een paar keer bekijken. Volgens Tim van Kempen, onderzoeker bij SRON, is er gemiddeld zo’n zes tot twaalf uur nodig om een planeetovergang goed in beeld te brengen. Elke 25 seconden bepaalt het instrument aan boord hoe helder de ster is. Maar één overgang maakt nog geen planeet: de lichtsterkte van sterren is zelf ook variabel, bijvoorbeeld doordat er op het oppervlak iets minder heldere zonnevlekken voorkomen of juist heldere explosies plaatsvinden, of omdat sterren zichzelf in stof hullen. Planeetverduisteringen moet je daarom meerdere keren vastleggen. “Zonneactiviteit is onvoorspelbaar, maar op de overgangen van een planeet kun je de klok gelijk zetten”, zegt Van Kempen. “Als je elke 15,2 dagen dezelfde afname in helderheid ziet, dan weet je dat er een planeet in die periode om de ster draait.”
In totaal gaat PLATO als een soort groothoeklens pakweg een zesde deel van de hemel in kaart brengen. Daarna neemt Ariel in 2029 het stokje over. Deze ruimtetelescoop is een soort telelens, waarmee wetenschappers kunnen inzoomen op de meest interessante werelden. Ze hebben nu al een voorlopige lijst van werelden opgesteld die ze beter willen leren kennen. Die lijst zal uitgroeien tot een top duizend van planeten. Volgens astronoom Michiel Min, die bij beide ruimtemissies is betrokken, zal zeker de helft van die lijst bestaan uit werelden die PLATO nog moet ontdekken. “We willen vooral veel verschillende soorten werelden onderzoeken, om te zien welke variëteit er allemaal mogelijk is”, zegt hij.
Detective
Net als PLATO kijkt Ariel naar de momenten dat een planeet voor zijn ster langs trekt. Dan is het, doorgaans enkele uren, mogelijk om iets te leren over de planeetatmosfeer. De planeet zelf blokkeert een deel van het licht van de ster. Een nog kleiner deel van het sterlicht valt door de atmosfeer van de planeet en reist vervolgens verder de ruimte in. “Vergelijk het met zonlicht dat onze aardatmosfeer in vliegt, over onze hoofden scheert en dan aan de andere kant de dampkring weer verlaat”, zegt Van Kempen. Bij de reis door de dampkring absorberen stoffen in de atmosfeer bepaalde delen van het licht; ze laten als het ware een vingerafdruk achter. Het zijn die vingerafdrukken waarin wetenschappers geïnteresseerd zijn, en Ariel is de detective die ze opspoort. “Dit lukt overigens alleen bij planeten met een relatief grote atmosfeer, werelden die je kunt vergelijken met de reuzen in ons eigen zonnestelsel, zoals Jupiter en Saturnus. Misschien zit er ook een zogenoemde superaarde (een aardachtige planeet die groter is dan de aarde – red.) bij met een grote atmosfeer”, zegt Min.
Met een spiegel van een meter in doorsnee is Ariel een bescheiden telescoop vergeleken met bijvoorbeeld James Webb, die een spiegel heeft met een diameter van ruim zes meter. Toch gaat deze ruimtemissie waarschijnlijk veel meer kennis opleveren over exoplaneten, omdat Ariel al zijn tijd besteedt aan de observatie van planeetatmosferen. “De grote sprong hier zit in het aantal planeetatmosferen dat Ariel gaat onderzoeken. Dat zijn er zeker duizend, terwijl James Webb waarschijnlijk maar een handjevol planeten doet, omdat de telescoop zo druk is met andere taken.”
De ruimtemissies die speuren naar exoplaneten, waaraan de Europese ruimtevaartorganisatie ESA meewerkt. Cheops en James Webb zijn al gelanceerd; PLATO en Ariel gaan in respectievelijk 2026 en 2029 de ruimte in.
ESAVinden we binnen tien jaar een superaarde met misschien wel zuurstof of methaan in de atmosfeer, chemische sporen die we in ieder geval op aarde kunnen linken aan leven? Van Kempen: “Ik denk dat we daarvoor geluk moeten hebben met een dergelijke planeet die voor ons heel goed waarneembaar is. De kans dat we zoiets met de volgende generatie telescopen vinden, is vermoedelijk groter.” Tot die tijd gaan PLATO en Ariel veel kennis opleveren over hoe planeten en planetenstelsels ontstaan, iets waarover we zelf als bewoners van een zonnestelsel eigenlijk nog maar weinig weten.
Lees meer: