WAT IS DE DIRECT IMAGING-METHODE?

Send

Welkom terug bij de nieuwste aflevering in onze serie over Exoplanet-jachtmethoden. Vandaag beginnen we met de zeer moeilijke, maar veelbelovende methode die bekend staat als Direct Imaging.

In de afgelopen decennia is het aantal planeten dat buiten ons zonnestelsel is ontdekt met grote sprongen gegroeid. Op 4 oktober 2018 zijn in totaal 3869 exoplaneten bevestigd in 2887 planetaire systemen, met 638 systemen die meerdere planeten bevatten. Helaas zijn astronomen vanwege de beperkingen waarmee astronomen te maken hebben gekregen, voor het overgrote deel ontdekt met behulp van indirecte methoden.

Tot dusver zijn er slechts een handvol planeten ontdekt doordat ze werden afgebeeld terwijl ze rond hun sterren cirkelden (ook bekend als Direct Imaging). Hoewel uitdagend in vergelijking met indirecte methoden, is deze methode het meest veelbelovend als het gaat om het karakteriseren van de atmosfeer van exoplaneten. Tot dusver zijn 100 planeten bevestigd in 82 planetaire systemen die deze methode gebruiken, en naar verwachting zullen er in de nabije toekomst nog veel meer worden gevonden.

Omschrijving:

Zoals de naam al doet vermoeden, bestaat Direct Imaging uit het direct vastleggen van beelden van exoplaneten, wat mogelijk is door te zoeken naar het licht dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer van een planeet op infraroodgolflengten. De reden hiervoor is dat bij infraroodgolflengten een ster waarschijnlijk slechts ongeveer 1 miljoen keer helderder is dan een planeet die licht reflecteert, in plaats van een miljard keer (wat typisch het geval is bij visuele golflengten).

Een van de meest voor de hand liggende voordelen van Direct Imaging is dat het minder vatbaar is voor false positives. Terwijl de Transit Methode in 40% van de gevallen vatbaar is voor false positives (waarbij een enkel planeten-systeem betrokken is (waarbij vervolgwaarnemingen nodig zijn), moeten planeten die met de Radial Velocity-methode zijn gedetecteerd, worden bevestigd (vandaar dat deze gewoonlijk wordt gecombineerd met de Transit-methode)) . Met Direct Imaging daarentegen kunnen astronomen daadwerkelijk de planeten zien waarnaar ze op zoek zijn.

Hoewel mogelijkheden voor het gebruik van deze methode zeldzaam zijn, kan het overal waar directe detecties kunnen worden gedaan, wetenschappers waardevolle informatie over de planeet verschaffen. Door bijvoorbeeld de spectra te onderzoeken die worden gereflecteerd door de atmosfeer van een planeet, kunnen astronomen essentiële informatie over de samenstelling verkrijgen. Deze informatie is intrinsiek voor exoplaneetkarakterisering en om te bepalen of deze mogelijk bewoonbaar is.

In het geval van Fomalhaut b konden astronomen met deze methode meer te weten komen over de interactie van de planeet met de protoplanetaire schijf van de ster, beperkingen opleggen aan de massa van de planeet en de aanwezigheid van een enorm ringsysteem bevestigen. In het geval van HR 8799 leverde de hoeveelheid infraroodstraling die wordt gereflecteerd door de atmosfeer van de exoplaneet (gecombineerd met modellen van planetaire formatie) een ruwe schatting van de massa van de planeet.

Direct Imaging werkt het beste voor planeten met brede banen en bijzonder massief (zoals gasreuzen). Het is ook erg handig voor het detecteren van planeten die “face-on” zijn gepositioneerd, wat betekent dat ze niet voor de ster passeren ten opzichte van de waarnemer. Dit maakt het complementair aan de radiale snelheid, die het meest effectief is voor het detecteren van planeten die "edge-on" zijn, waar planeten transits maken van hun ster.

In vergelijking met andere methoden is Direct Imaging nogal moeilijk vanwege het verduisterende effect dat licht van een ster heeft. Met andere woorden, het is erg moeilijk om het licht te detecteren dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer van een planeet als de moederster zoveel helderder is. Als gevolg hiervan zijn kansen voor Direct Imaging zeer zeldzaam met de huidige technologie.

Voor het grootste deel kunnen planeten alleen met deze methode worden gedetecteerd wanneer ze op grote afstand van hun sterren cirkelen of bijzonder massief zijn. Dit maakt het erg beperkt als het gaat om het zoeken naar terrestrische (ook bekend als 'aarde-achtige') planeten die dichter bij hun sterren cirkelen (d.w.z. binnen de bewoonbare zone van hun ster). Als gevolg hiervan is deze methode niet bijzonder nuttig als het gaat om het zoeken naar potentieel bewoonbare exoplaneten.

Voorbeelden van onderzoeken met directe beeldvorming:

De eerste exoplaneetdetectie die met deze techniek werd gemaakt, vond plaats in juli 2004, toen een groep astronomen de Very Large Telescope Array (VLTA) van de European Southern Observatory (ESO) gebruikte om een planeet meerdere keren de massa van Jupiter in de buurt van 2M1207 in beeld te brengen - een bruine dwerg op ongeveer 200 lichtjaar van de aarde.

In 2005 bevestigden verdere waarnemingen de baan van deze exoplanet rond 2M1207. Sommigen zijn echter sceptisch gebleven dat dit het eerste geval van "Direct Imaging" was, aangezien de lage helderheid van de bruine dwerg de detectie van de planeet mogelijk maakte. Bovendien, omdat het om een bruine dwerg draait, hebben sommigen beweerd dat de gasreus geen echte planeet is.

In september 2008 werd een object afgebeeld met een scheiding van 330 AU rond de ster, 1RXS J160929.1? 210524 - die zich op 470 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Scorpius bevindt. Het duurde echter tot 2010 voordat werd bevestigd dat het een planeet was en een metgezel van de ster.

Op 13 november 2008 maakte een team van astronomen bekend dat ze met de Hubble-ruimtetelescoop beelden hadden vastgelegd van een exoplaneet die om de ster Fomalhaut draait. De ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij de dikke schijf gas en stof rond Fomalhaut en de scherpe binnenrand die suggereert dat een planeet puin van zijn pad had verwijderd.

Vervolgwaarnemingen met Hubble produceerden afbeeldingen van de schijf, waardoor astronomen de planeet konden lokaliseren. Een andere factor die bijdraagt, is het feit dat deze planeet, die tweemaal de massa van Jupiter is, wordt omringd door een ringsysteem dat meerdere keren dikker is dan de ringen van Saturnus, waardoor de planeet behoorlijk helder gloeide in visueel licht.

Op dezelfde dag kondigden astronomen die de telescopen van zowel het Keck-observatorium als het Gemini-observatorium gebruikten, aan dat ze drie planeten in beeld hadden gebracht die in een baan om HR 8799 draaiden. Deze planeten, met massa's van 10, 10 en 7 keer die van Jupiter, werden allemaal gedetecteerd in infrarood golflengten. Dit werd toegeschreven aan het feit dat HR 8799 een jonge ster is en men denkt dat de planeten eromheen nog een deel van de warmte van hun formatie behouden.

In 2009 onthulde analyse van beelden die teruggaan tot 2003 het bestaan van een planeet die in een baan om Beta Pictoris draait. In 2012 kondigden astronomen die de Subaru-telescoop van het Mauna Kea-observatorium gebruikten de afbeelding aan van een "Super-Jupiter" (met 12,8 Jupiter-massa's) die in een baan om de ster Kappa Andromedae draait op een afstand van ongeveer 55 AU (bijna tweemaal de afstand van Neptunus tot de Zon).

Andere kandidaten zijn in de loop der jaren gevonden, maar tot nu toe blijven ze onbevestigd als planeten en kunnen ze bruine dwergen zijn. In totaal zijn 100 exoplaneten bevestigd met behulp van de Direct Imaging-methode (ongeveer 0,3% van alle bevestigde exoplaneten), en de overgrote meerderheid waren gasreuzen die op grote afstand van hun sterren cirkelden.

Dit zal naar verwachting echter in de nabije toekomst veranderen naarmate er telescopen van de volgende generatie en andere technologieën beschikbaar komen. Deze omvatten telescopen op de grond die zijn uitgerust met adaptieve optica, zoals de Thirty Meter Telescope (TMT) en de Magellan Telescope (GMT). Ze bevatten ook telescopen die afhankelijk zijn van coronografie (zoals de James Webb Space Telescope (JWST), waarbij een apparaat in de telescoop wordt gebruikt om licht van een ster te blokkeren.

Een andere methode die wordt ontwikkeld, staat bekend als een 'starshade', een apparaat dat is geplaatst om licht van een ster te blokkeren voordat het zelfs een telescoop binnengaat. Voor een ruimtetelescoop die op zoek is naar exoplaneten, zou een starshade een afzonderlijk ruimtevaartuig zijn, ontworpen om zichzelf op precies de juiste afstand en hoek te positioneren om sterrenlicht te blokkeren van de sterren die astronomen observeerden.

We hebben veel interessante artikelen over exoplanetenjacht hier bij Space Magazine. Hier is wat is de doorgangsmethode?, Wat is de radiale snelheidsmethode?, Wat is de gravitatiemicrolensiemethode? En Kepler's universum: meer planeten in onze Melkweg dan sterren.

Astronomy Cast heeft ook enkele interessante afleveringen over dit onderwerp. Hier is aflevering 367: Spitzer doet exoplaneten en aflevering 512: directe beeldvorming van exoplaneten.

Ga voor meer informatie naar de NASA-pagina over Exoplanet Exploration, de Planetary Society-pagina over Extrasolar Planets en het NASA / Caltech Exoplanet-archief.

Bronnen: