Het vinden van de massa van andere planeten is lastig, en wordt meestal gedaan door de banen van hun manen te meten of van ruimtevaartuigen die erlangs vliegen. "Dit is de eerste keer dat iemand hele planetenstelsels heeft gewogen - planeten met hun manen en ringen", zegt teamleider Dr. David Champion van het Max-Planck-Institut fuer Radioastronomie in Bonn, Duitsland. "En we hebben een onafhankelijke controle van eerdere resultaten gegeven, wat geweldig is voor planetaire wetenschap."
Champion zegt dat het op deze nieuwe manier meten van de massa's planeten kan worden gebruikt voor gegevens die nodig zijn voor toekomstige ruimtemissies. Omdat massa zwaartekracht creëert en de zwaartekracht van een planeet de baan bepaalt van alles wat er omheen gaat - zowel de grootte van de baan als hoe lang het duurt om te voltooien - zal het een nauwkeurigere navigatie helpen voor toekomstige missies.
De nieuwe methode is gebaseerd op correcties die astronomen maken op signalen van pulsars, kleine ronddraaiende sterren die regelmatig ‘blips’ van radiogolven afgeven.
De aarde reist rond de zon en deze beweging beïnvloedt precies wanneer pulsarsignalen hier aankomen. Om dit effect te verwijderen, berekenen astronomen wanneer de pulsen zouden zijn aangekomen in het massacentrum van het zonnestelsel, of barycenter, waarrond alle planeten cirkelen. Omdat de opstelling van de planeten rond de zon de hele tijd verandert, beweegt het barycenter ook mee. Om zijn positie te bepalen, gebruiken astronomen zowel een tabel (een efemeride genoemd) van waar alle planeten zich op een bepaald moment bevinden, als de waarden voor hun massa's die al zijn gemeten. Als deze cijfers enigszins onjuist zijn en de positie van het barycenter enigszins verkeerd is, verschijnt er een regelmatig, herhalend patroon van timingfouten in de pulsar-gegevens.
"Als de massa van Jupiter en zijn manen bijvoorbeeld verkeerd is, zien we een patroon van timingfouten dat zich over 12 jaar herhaalt, de tijd die Jupiter nodig heeft om rond de zon te draaien", zei Dr. Dick Manchester van CSIRO Astronomy and Space Science. Maar als de massa van Jupiter en zijn manen wordt gecorrigeerd, verdwijnen de timingfouten. Dit is het feedbackproces dat de astronomen hebben gebruikt om de massa van de planeten te bepalen.
Gegevens van een set van vier pulsars zijn gebruikt om Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus te wegen met hun manen en ringen. De meeste van deze gegevens zijn geregistreerd met CSIRO's Parkes-radiotelescoop in Oost-Australië, sommige zijn bijgedragen door de Arecibo-telescoop in Puerto Rico en de Effelsberg-telescoop in Duitsland. De massa's kwamen overeen met die gemeten door ruimtevaartuigen. De massa van het Joviaanse systeem, .0009547921 (2) maal de massa van de zon, is aanzienlijk nauwkeuriger dan de massa die is bepaald met het Pioneer- en Voyager-ruimtevaartuig, en komt overeen met, maar minder nauwkeurig dan, de waarde van het Galileo-ruimtevaartuig.
De nieuwe meettechniek is gevoelig voor een massaverschil van tweehonderd miljard miljoen ton - slechts 0,003% van de massa van de aarde en een tien miljoenste van de massa van Jupiter.
"Op korte termijn zal het ruimtevaartuig de meest nauwkeurige metingen blijven uitvoeren voor individuele planeten, maar de pulsartechniek zal het beste zijn voor planeten die niet worden bezocht door ruimtevaartuigen, en voor het meten van de gecombineerde massa van planeten en hun manen", aldus CSIRO's Dr. George Hobbs, een ander lid van het onderzoeksteam.
Herhaling van de metingen zou de waarden nog meer verbeteren. Als astronomen gedurende zeven jaar een set van 20 pulsars zouden observeren, zouden ze Jupiter nauwkeuriger wegen dan ruimtevaartuigen. Doe hetzelfde voor
Saturnus zou 13 jaar duren.
"Astronomen hebben deze nauwkeurige timing nodig omdat ze pulsars gebruiken om te zoeken naar zwaartekrachtsgolven voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie", zegt professor Michael Kramer, hoofd van de onderzoeksgroep 'Fundamentele fysica in radioastronomie' aan het Max-Planck-Institut fuer Radioastronomie. "Het vinden van deze golven hangt af van het opmerken van kleine veranderingen in de timing van pulsarsignalen, en dus moeten alle andere bronnen van timingfouten in aanmerking worden genomen, inclusief de sporen van planeten van het zonnestelsel."
Astronomen uit Australië, Duitsland, het VK, Canada en de VS zijn bij dit project betrokken.
Paper: Het meten van de massa van planeten in het zonnestelsel met behulp van Pulsar Timing
Bron: Max Planck
