Sinds mensen de hemel bekijken, hebben we ons afgevraagd of er andere werelden zijn zoals de Aarde. Lange tijd was het antwoord ontoegankelijk: sterren zijn zó fel dat eventuele planeten erbij simpelweg onzichtbaar zijn. Het is alsof je probeert een vuurvliegje naast een stadionlamp te fotograferen, onmogelijk, zo leek het. Toch is het astronomen de afgelopen decennia gelukt om exoplaneten daadwerkelijk rechtstreeks te fotograferen. Deze methode, bekend als directe waarneming of direct imaging, is misschien wel de meest indrukwekkende van allemaal. Waar andere technieken planeten afleiden uit indirecte aanwijzingen, levert directe waarneming een beeld of spectrum van de planeet zelf.
Het grote probleem: contrast en afstand
Waarom is het zo moeilijk? Er zijn twee grote uitdagingen:
- Contrastverschil
Een ster is vaak een miljoen tot een miljard keer helderder dan de planeet ernaast. Voor ons oog is dat alsof je een gloeilamp bekijkt en tegelijkertijd het stofdeeltje dat ernaast zweeft wilt zien. - Hoekafstand
Planetensystemen staan vele lichtjaren van ons af. Zelfs al is de planeet miljarden kilometers van zijn ster verwijderd, dan nog lijkt de hoek die hij aan de hemel beslaat minuscuul. Het is alsof je probeert een muntstuk te onderscheiden op honderden kilometers afstand.
Om dit op te lossen hebben astronomen ingenieuze technieken bedacht om het sterlicht te onderdrukken en zo de veel zwakkere planeet zichtbaar te maken.
Hoe werkt directe waarneming?
Een coronagraaf is een optisch instrument dat in de telescoop zelf zit en het sterlicht afdekt. Het principe is vergelijkbaar met je hand voor een felle lamp houden, zodat je het zwakke licht eromheen beter ziet. Een andere techniek in ontwikkeling is de starshade: een enorme, bloemvormige afscherming die in de ruimte voor de telescoop wordt geplaatst en het sterlicht buitensluit, terwijl het planeetlicht wel doorkomt. Voor telescopen op Aarde vormt de atmosfeer een probleem: turbulentie zorgt ervoor dat sterren fonkelen en beelden vervagen. Met adaptieve optiek worden spiegels razendsnel vervormd om die verstoringen te corrigeren. Hierdoor kan men veel scherpere beelden maken, onmisbaar voor directe exoplaneetwaarneming. Exoplaneten zijn vaak beter zichtbaar in het infrarood dan in zichtbaar licht. Gasreuzen, vooral jonge exemplaren, stralen warmte uit en lichten in het infrarood op, terwijl de ster relatief minder overheerst. Daarom richten veel directe waarnemingen zich op infraroodgolflengten.
Wat leren we uit directe waarneming?
Het unieke van directe waarneming is dat we niet alleen de aanwezigheid van een planeet vaststellen, maar ook zijn licht kunnen analyseren. Daarmee krijgen we informatie die bij andere methoden moeilijk te verkrijgen is:
- Samenstelling van de atmosfeer: Door het spectrum te onderzoeken, kunnen we moleculen zoals waterdamp, methaan of koolmonoxide detecteren. Dit vertelt iets over de chemie en fysica van de planeet.
- Temperatuur en leeftijd: Jonge gasreuzen stralen warmte uit door restenergie van hun vorming. Uit hun helderheid in het infrarood kunnen astronomen de temperatuur en zelfs hun leeftijd schatten.
- Baan en dynamiek: Doordat planeten na jaren van observatie op foto’s daadwerkelijk bewegen rond hun ster, kunnen hun banen rechtstreeks in kaart gebracht worden.
Andere technieken, zoals radiale snelheid en transitiefotometrie, leveren veel meer ontdekkingen op. Toch hebben ze beperkingen: ze geven indirecte aanwijzingen, maar geen beeld. Directe waarneming vult die leemte. Waar transits en radial velocity massa en straal opleveren, geeft directe waarneming spectra en atmosferische details. Het is dus een cruciale aanvulling in de exoplaneten-gereedschapskist.
De eerste successen
De eerste overtuigende directe opname van een exoplaneet kwam in 2004, toen een team onder leiding van Gaël Chauvin de planeet 2M1207b fotografeerde rond een bruine dwerg op 170 lichtjaar afstand. Dit object was groot en heet, en dus relatief makkelijk te zien in het infrarood. In 2008 volgde een spectaculair resultaat: het systeem HR 8799, op 129 lichtjaar afstand, waarin vier reusachtige planeten rechtstreeks gefotografeerd konden worden met de Keck-telescoop en later met de Gemini-telescoop. Voor het eerst zagen we echte familiefoto’s van een compleet planetenstelsel buiten ons eigen.
Afbeelding van een planeet rondom de ster Beta Pictoris - Foto: ESO
De rol van grote telescopen
Enkele van de instrumenten die baanbrekend zijn voor directe waarneming:
- Gemini Planet Imager (GPI): gespecialiseerd in exoplanetenfotografie in het infrarood.
- SPHERE op de Very Large Telescope (ESO): levert uiterst scherpe beelden met adaptieve optiek.
- Subaru-telescoop (Hawaï): gebruikt coronagrafen voor directe exoplaneetbeelden.
Toekomstige projecten zoals de Extremely Large Telescope (ELT) van ESO, met een spiegel van 39 meter, zullen de mogelijkheden drastisch uitbreiden.
De toekomst in de ruimte: starshades en coronagrafen
Ook in de ruimte worden plannen gemaakt om directe waarneming verder te brengen. NASA onderzoekt concepten waarbij een telescoop en een stervormige schaduwkap (starshade) samenwerken. De telescoop vliegt duizenden kilometers achter de starshade, die het sterlicht precies afblokt, terwijl het zwakke planeetlicht zichtbaar wordt. Met zulke technologieën zouden zelfs Aarde-achtige planeten rond nabije sterren zichtbaar kunnen worden, misschien zelfs met detectie van biosignaturen in hun atmosferen. Directe waarneming is niet alleen een technische triomf, maar ook wetenschappelijk van groot belang aangezien het de enige methode is waarmee we ooit werkelijk foto’s zullen maken van planeten die op de Aarde lijken en het de deur opent naar echte vergelijkende planeetkunde buiten het zonnestelsel.
Reeks foto's van de exoplaneet Beta Pictoris b rondom zijn moederster - Foto: ESO
