De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA wist dat het nieuws over een ster met zeven planeten eind vorige maand de aandacht van het brede publiek zou trekken. Niet minder dan drie van die planeten bevinden zich in –wat astronomen noemen– de leefbare zone rond de kleine ster Trappist-1 (zie kader). Het stelsel staat bovendien relatief dicht bij de aarde: op zo’n veertig lichtjaar.

Tal van astronomen speuren vandaag de dag naar planeten rond andere sterren, zogeheten exoplaneten. Ze hopen daarmee antwoord te vinden op vragen zoals: Bestaan er meer planeten zoals de aarde? Komen ze veel voor? Tonen ze tekenen van leven? „Dit zijn grote vragen. Stukje bij beetje vinden we de antwoorden”, zei Eric Mamajek afgelopen januari tijdens een lezing in het NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Californië. De astronoom is als hoofdonderzoeker betrokken bij de speurtocht naar exoplaneten die de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie in 2014 is gestart.

Mamajek somt de manieren op waarop astronomen exoplaneten kunnen vinden.

De meest voor de hand liggende methode, directe waarneming, is hier nauwelijks voor geschikt, legt hij uit. „In de eerste plaats omdat een planeet ter grootte van Jupiter ongeveer een miljardste keer zo zwak is als de ster waar hij omheen draait. We nemen namelijk gereflecteerd licht waar: de ster straalt licht uit (net als onze zon, AB), dat licht valt op de planeet en ongeveer een miljardste weerkaatst in onze richting. Een planeet zoals de aarde reflecteert nog minder licht.”

Door de grote afstand tussen de ster en de aarde ontstaat er een tweede probleem. „De planeten zitten bijna tegen de ster aangeplakt.” Om de zwakke stipjes te kunnen waarnemen, plakken astronomen wel een zwart rondje over de ster en maskeren zo de felle lichtbron.

Maar er is nog een derde probleem met deze methode: de dampkring. „De atmosfeer speelt met het licht. Daardoor twinkelen sterren. Kleine verschillen in de temperatuur en de luchtvochtigheid, zorgen ervoor dat de lichtstralen op hun weg door de dampring wat heen en weer bewegen. Het licht van een ster wordt uitgesmeerd over het licht van de planeet en maakt hem onzichtbaar.”

Populair

De zogeheten astrometrische methode is decennialang populair geweest, maar heeft relatief weinig opgeleverd, zegt Mamajek. „Astrometrie kijkt naar sterren die ‘zwalken’ door de aantrekkingskracht van een planeet. In onze beleving staat de zon in het midden van ons zonnestelsel en draaien de planeten eromheen. Maar dat is niet helemaal waar. Jupiter is de grote zwaartekrachtsbron die aan de zon trekt, en daardoor draait de zon rond het middelpunt van het zonnestelsel. Het is maar een kleine verplaatsing, in de orde van enkele honderdduizenden kilometers. Als je de positie van een ster op grote afstand nauwkeurig meet, zou je die verschuiving moeten kunnen waarnemen. Maar het is niet eenvoudig.”

De techniek die dopplerspectroscopie of radiale snelheid wordt genoemd, „is erg vruchtbaar” gebleken, meldt de astronoom. „Wat doen we hierbij? Je hebt de planeet die om zijn ster draait en daaraan trekt. Dat zorgt ervoor dat de ster een cirkelbeweging maakt. Met die beweging verandert zijn snelheid ten opzichte van de aarde, wat een dopplerverschuiving geeft in het licht dat we waarnemen: een ster kleurt blauwer als hij van ons af beweegt, en roder als hij naar ons toe komt. Het is een minieme verschuiving. Met deze techniek zijn er in de afgelopen jaren honderden exoplaneten ontdekt.”

Transitmethode

De zogeheten transitmethode is in de afgelopen tien jaar de succesvolste gebleken. Oftewel: astronomen spotten een planeet wanneer die voor zijn ster langs beweegt. „Hiervoor moet je de helderheid van een ster heel nauwkeurig meten. Wanneer een grote planeet als Jupiter voor onze zon heen trekt, neemt de helderheid af met ongeveer 1 procent. Een dip van 1 procent kunnen we bij de meeste van de heldere sterren vaststellen. Echter, een planeet zoals de aarde is een factor 10 kleiner qua inhoud en een factor 100 kleiner qua oppervlak. Trekt zo’n planeet voor de zon langs, dan moet je een signaal van een duizendste oppikken. Dat is vanaf de aarde vrijwel onmogelijk. Maar als je de ruimte in gaat, kun je aardeachtige planeten wel vinden.”

Dan komt ruimtetelescoop Kepler in beeld, die in 2009 werd gelanceerd. „De meeste exoplaneten die zijn ontdekt, hebben we gevonden dankzij de Keplermissie. We hebben het hier over duizenden planeten. Dus dit is een fantastische techniek. Een nadeel is wel dat je vooral planeten ontdekt die dicht bij de ster staan.” Planeten die verder af staan, hebben een omlooptijd van maanden of jaren. „Het is dus zeldzamer dat je die voor een ster langs ziet trekken.”

Knikkers

Na ruim 25 jaar speuren, staat de teller van ontdekte exoplaneten op 3458 stuks. Die vondsten stelden astronomen geregeld voor verrassingen. „Onmiddellijk namen we heel vreemde objecten waar, totaal anders dan de planeten in ons zonnestelsel.” Als voorbeeld noemt Mamajek een planeet die tien keer zo groot is als Jupiter, verreweg de grootste planeet in ons zonnestelsel. „Dat verlegt echt de grenzen van wat we onder een planeet verstaan.” Een planeet ter grootte van Jupiter die in een paar dagen tijd, in plaats van een paar maanden, een rondje draait om zijn ster. Planeten die rond een dode ster draaien. Of rond twee of meer sterren.

Gezien de rijke oogst van Kepler zien astronomen al uit naar de volgende generatie ruimtetelescopen die in de komende jaren het stokje overnemen. Met de James Webb Telescope, die over twee jaar moet worden gelanceerd, kunnen planeten worden waargenomen die voor hun ster langs trekken. Met de WFIRST-ruimtetelescoop, die rond 2025 het luchtruim moet kiezen, hopen wetenschappers grote planeten te vinden die verder van hun ster af staan. Ook zal hij een veel groter deel van het heelal in beeld brengen dan Kepler heeft gedaan.

Toch, waar het astronomen eigenlijk om te doen is: planeten zoals de aarde vinden. „Wat we echt willen zien, zijn blauwe knikkers die om hun ster draaien.”

----

Leefbare zone

Astronomen hebben vooral belangstelling voor planeten in de leefbare zone rond een ster. Maar waar hebben ze het dan eigenlijk over? „Het gaat om die banen waarin je vloeibaar water zou kunnen aantreffen op het oppervlak van de planeet”, legt exoplaneetonderzoeker Eric Mamajek uit. „Vloeibaar water is –in ieder geval op onze planeet– een voorwaarde voor leven.”

Die zone is vrij klein, erkent Mamajek. „Beweegt de aarde te ver richting de zon, dan gaan de oceanen koken en verdampt al het water. Beweeg je de aarde te ver van de zon af, dan wordt het erg koud en verandert al het water in ijs.”

Van de ruim 2000 exoplaneten die met de Keplertelescoop zijn gevonden, bevindt zich slechts een handvol in de leefbare zone. Of er daadwerkelijk leven op die werelden kan bestaan, is nog maar de vraag. De juiste baan wil immers nog niet zeggen dat er ook water aanwezig is. En de bodemgesteldheid en de samenstelling van de atmosfeer kunnen zodanig zijn dat er geen leven mogelijk is.

Of er alleen op aarde leven bestaat of toch ook elders in het universum blijft voorlopig gissen.