De exoplaneten

Andere werelden om andere sterren

Voor 1995 was het een open vraag. Draaien er planeten om andere sterren? Bijna iedereen vermoedde van wel, maar niemand had het ooit gezien. Toen, in oktober van dat jaar, kondigden twee Zwitsers aan dat ze er eentje hadden gevonden, vijftig lichtjaar weg, draaiend om een ster die op onze zon lijkt. Sindsdien is het aantal bevestigde exoplaneten gegroeid tot boven de vijfduizend, en groeit het nog elke maand. Kijk omhoog op een heldere nacht. Bij vrijwel elke ster die je ziet, zitten werelden.

51 Pegasi b — de eerste

In oktober 1995 publiceerden Michel Mayor en Didier Queloz van de Universiteit van Genève een meting van een sterrenwachter in Zuid-Frankrijk. Ze richtten zich op de ster 51 Pegasi, een onopvallende zonachtige ster in het sterrenbeeld Pegasus. En ze zagen iets vreemds: het licht van de ster verschoof periodiek, elke 4,2 dagen, héél lichtjes naar rood en dan weer naar blauw. Dat was het handtekening van een onzichtbare metgezel die de ster aan het trekken was.

Hun berekening: een planeet, ongeveer half zo zwaar als Jupiter, maar zo dichtbij zijn ster dat één baan slechts vier dagen duurde. Het oppervlak ervan moest duizend graden warm zijn. Niemand had dat verwacht. Volgens de toen geldende theorieën konden reuzenplaneten niet zó dichtbij hun ster ontstaan. Mayor en Queloz hadden niet alleen de eerste exoplaneet rond een zonachtige ster ontdekt — ze lieten zien dat ons eigen zonnestelsel misschien wel het atypische geval is. Voor deze ontdekking kregen ze in 2019 de Nobelprijs voor natuurkunde.

Hoe vind je een wereld die je niet kunt zien?

Een planeet is donker. Haar ster is miljarden keren helderder. Direct een foto maken van een exoplaneet is alsof je vanaf Amsterdam een gloeiworm moet zien die vlak naast een stadionschijnwerper in Tokyo rondvliegt. Onmogelijk, op een paar uitzonderingen na. Dus gebruiken we slimme indirecte trucs.

De radiale-snelheids-methode is wat Mayor en Queloz gebruikten. Een planeet trekt zijn ster net iets heen en weer, omdat beide om een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien. Dat "wiebelen" van de ster zie je in zijn spectrum: het licht verschuift naar rood als de ster van je wegbeweegt, naar blauw als ze op je toekomt. De amplitude verraadt de massa van de planeet; de periode verraadt haar baan. Voor een Jupiter-achtige planeet op een korte baan is het signaal tientallen meters per seconde. Voor een aarde-achtige planeet in een leefbare zone: minder dan een meter per seconde, ongeveer wandeltempo. Dat meten we.

De transit-methode werd beroemd door de Kepler-telescoop, die NASA in 2009 lanceerde. Kepler staarde negen jaar lang naar hetzelfde stukje hemel, naar 150.000 sterren tegelijk, en zocht piepkleine dipjes in helderheid. Als een planeet vóór zijn ster langs loopt — een transit — dooft het sterlicht meetbaar, vaak maar 0,01 procent. Kepler vond zo meer dan 2600 bevestigde planeten. Zijn opvolger, TESS (gelanceerd 2018), zoekt hetzelfde maar over de hele hemel en bij dichterbij gelegen sterren.

Directe beeldvorming werkt alleen in speciale gevallen: jonge, nog gloeiend warme planeten ver van hun ster. Een coronagraaf (een schijfje dat het sterlicht blokkeert) en adaptieve optiek laten planeten als stippen zien. Er zijn een paar tientallen exoplaneten op die manier in beeld gebracht.

Microlensing gebruikt relativiteit: een voorgrondster met planeet buigt kortstondig het licht van een verder weg staande ster, en het lichtcurve-signatuur verraadt de planeet. Zeldzaam maar krachtig voor planeten op grote afstand.

De dierentuin van werelden

Wat hebben we gevonden in bijna dertig jaar zoeken? Een bestiarium dat alle verwachtingen verslaat.

• Hot Jupiters — gasreuzen die in dagen rond hun ster vliegen.
• Super-aardes — rotsplaneten van 2 tot 10 aardmassa's. Ons zonnestelsel heeft er geen enkele, maar de Melkweg wemelt ervan.
• Mini-Neptunussen — klein-gasreuzen tussen aarde en Neptunus in grootte, veel voorkomend.
• Lava-werelden — zo dicht bij hun ster dat hun dagkant vloeibare steen is.
• Gepofte planeten — lager in dichtheid dan piepschuim, opgeblazen door stralingshitte.
• Diamant-werelden — zoals 55 Cancri e, waar de koolstofrijke samenstelling onder hoge druk tot diamant kristalliseert.
• Rogue planets — planeten zonder ster, die door de interstellaire ruimte dolen. Mogelijk even talrijk als sterren zelf.

TRAPPIST-1 — zeven werelden, één rode dwerg

In februari 2017 maakte NASA de ontdekking bekend die alle krantenvoorpagina's haalde. Rond een koele rode dwergster, vierig lichtjaar weg, bewegen zeven planeten ter grootte van de aarde. Drie ervan liggen in de leefbare zone — het gebied waar vloeibaar water op het oppervlak kan bestaan. De ster, TRAPPIST-1, is klein en koel, dus de leefbare zone ligt er heel dicht omheen: die planeten voltooien hun baan in dagen, niet jaren. Vanaf één TRAPPIST-1-planeet zou je de anderen als volle schijven aan de hemel zien hangen, groter dan onze maan.

De James Webb-ruimtetelescoop, gelanceerd eind 2021, kijkt nu nauwkeurig naar deze werelden. Ze meet het sterlicht dat dóór de atmosferen van de planeten heen gaat tijdens een transit, en zoekt naar vingerafdrukken van gassen — water, kooldioxide, methaan, zuurstof. De eerste resultaten zijn voorzichtig: de binnenste TRAPPIST-planeten lijken weinig tot geen atmosfeer te hebben. Of de verder weg gelegen werelden wel lucht hebben, weten we in de komende jaren.

Waar staan we nu?

Op het moment van deze les staan er meer dan 5500 bevestigde exoplaneten in de NASA-catalogus, en nog eens duizenden "kandidaten" die wachten op bevestiging. Elke maand komen er tientallen bij. We weten nu dat planeten de norm zijn, niet de uitzondering: gemiddeld heeft elke ster minstens één planeet. De Melkweg herbergt honderden miljarden planeten. Het heelal, tientallen triljoenen.

De volgende stap is niet tellen, maar kenmerken. Hoe ziet een atmosfeer van een rotsplaneet in een leefbare zone eruit? Bevat ze zuurstof, methaan, water samen — gassen waarvan biologie de eenvoudigste verklaring is? Webb maakt de eerste hints mogelijk. Telescopen die nu in ontwerp zijn — het Europese ELT (39-meter spiegel), de Amerikaanse Habitable Worlds Observatory — moeten de vraag definitief kunnen beantwoorden in de komende twee decennia.

Wat Mayor en Queloz begonnen met een wiebelende ster, eindigt misschien met de eerste moleculaire handtekening van buitenaards leven. Of met een leeg zwijgen.

Drie dingen om mee te nemen

1. Planeten zijn de regel, niet de uitzondering. Bijna elke ster heeft er eentje. De Melkweg wemelt van honderden miljarden werelden.
2. We zien ze indirect. Transit-methode en radiale snelheid zijn de werkpaarden; directe beeldvorming lukt alleen voor een handvol. Kepler en TESS ontdekken ze, Webb onderzoekt hun atmosferen.
3. Aardse werelden bestaan. TRAPPIST-1, Proxima Centauri b, Kepler-452b en tientallen anderen liggen in leefbare zones. Of ze echt leven dragen, is de volgende grote vraag.

En die volgende grote vraag is precies waar de volgende les over gaat. Zijn we alleen? En zo nee, hoe vinden we ooit een ander?

Tot dan. Blijf nieuwsgierig.