Welkom terug bij onze serie over Exoplanet-Hunting-methoden! Vandaag kijken we naar de merkwaardige en unieke methode die bekend staat als Gravitational Microlensing.
De jacht op planeten buiten de zon is het afgelopen decennium zeker opgewarmd. Dankzij verbeteringen in technologie en methodologie heeft het aantal waargenomen exoplaneten (vanaf 1 december 2017) 3.710 planeten bereikt in 2.780 sterrenstelsels, met 621 systemen met meerdere planeten. Helaas zijn astronomen, vanwege verschillende grenzen waarmee ze te maken hebben, met behulp van indirecte methoden ontdekt.
Een van de meest gebruikte methoden voor het indirect detecteren van exoplaneten staat bekend als Gravitational Microlensing. In wezen is deze methode afhankelijk van de zwaartekracht van verre objecten om licht afkomstig van een ster te buigen en te focussen. Als een planeet voorbij de ster gaat ten opzichte van de waarnemer (d.w.z. een doorgang maakt), daalt het licht meetbaar, wat vervolgens kan worden gebruikt om de aanwezigheid van een planeet te bepalen.
In dit opzicht is Gravitational Microlensing een verkleinde versie van Gravitational Lensing, waarbij een tussenliggend object (zoals een melkwegcluster) wordt gebruikt om licht te focussen dat afkomstig is van een melkwegstelsel of een ander object daarbuiten. Het bevat ook een sleutelelement van de zeer effectieve Transit-methode, waarbij sterren worden gecontroleerd op dalingen in helderheid om de aanwezigheid van een exoplaneet aan te geven.
Omschrijving:
In overeenstemming met Einsteins algemene relativiteitstheorie zorgt zwaartekracht ervoor dat het weefsel van de ruimtetijd buigt. Dit effect kan ervoor zorgen dat licht dat wordt beïnvloed door de zwaartekracht van een object vervormd of verbogen wordt. Het kan ook als lens fungeren, waardoor het licht meer gefocust wordt en verre objecten (zoals sterren) helderder lijken voor een waarnemer. Dit effect treedt alleen op als de twee sterren bijna precies zijn uitgelijnd ten opzichte van de waarnemer (d.w.z. de ene staat voor de andere).
Deze 'lensgebeurtenissen' zijn kort maar overvloedig, aangezien de aarde en de sterren in ons sterrenstelsel altijd relatief ten opzichte van elkaar bewegen. In het afgelopen decennium zijn er meer dan duizend van dergelijke gebeurtenissen waargenomen, die doorgaans enkele dagen of weken achter elkaar hebben geduurd. In feite werd dit effect door Sir Arthur Eddington in 1919 gebruikt om het eerste empirische bewijs te leveren voor algemene relativiteitstheorie.
Dit vond plaats tijdens de zonsverduistering van 29 mei 1919, waar Eddington en een wetenschappelijke expeditie naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika reisden om foto's te maken van de sterren die nu zichtbaar waren in de regio rond de zon. De foto's bevestigden de voorspelling van Einstein door te laten zien hoe het licht van deze sterren enigszins werd verschoven als reactie op het zwaartekrachtveld van de zon.
De techniek werd oorspronkelijk voorgesteld door astronomen Shude Mao en Bohdan Paczynski in 1991 als een manier om binaire metgezellen naar sterren te zoeken. Hun voorstel werd in 1992 verfijnd door Andy Gould en Abraham Loeb als een methode om exoplaneten te detecteren. Deze methode is het meest effectief bij het zoeken naar planeten naar het centrum van de melkweg, aangezien de galactische uitstulping een groot aantal achtergrondsterren levert.
Voordelen:
Microlensing is de enige bekende methode die in staat is planeten te ontdekken op werkelijk grote afstanden van de aarde en in staat is om de kleinste exoplaneten te vinden. Terwijl de Radial Velocity-methode effectief is bij het zoeken naar planeten tot op 100 lichtjaar van de aarde en Transit Fotometrie kan planeten op honderden lichtjaren afstand detecteren, kan microlensing planeten vinden die duizenden lichtjaren verwijderd zijn.
Hoewel de meeste andere methoden een detectiebias hebben voor kleinere planeten, is de microlenseringsmethode het meest gevoelige middel om planeten te detecteren die zich tussen 1-10 astronomische eenheden (AU) van zonachtige sterren bevinden. Microlensing is ook het enige bewezen middel om planeten met een lage massa in bredere banen te detecteren, waarbij zowel de transitmethode als de radiale snelheid niet effectief zijn.
Samengevat maken deze voordelen van microlensing de meest effectieve methode om aardachtige planeten rond zonachtige sterren te vinden. Bovendien kunnen microlensing-onderzoeken effectief worden gemonteerd met behulp van op de grond gelegen faciliteiten. Net als Transit-fotometrie profiteert de Microlensing-methode van het feit dat deze kan worden gebruikt om tienduizenden sterren tegelijkertijd te onderzoeken.
Nadelen:
Omdat microlensing-gebeurtenissen uniek zijn en niet kunnen worden herhaald, zijn planeten die met deze methode zijn gedetecteerd niet meer waarneembaar. Bovendien zijn de planeten die worden gedetecteerd meestal erg ver weg, waardoor vervolgonderzoek vrijwel onmogelijk is. Gelukkig vereisen microlensing-detecties over het algemeen geen vervolgonderzoek omdat ze een zeer hoge signaal-ruisverhouding hebben.
Hoewel bevestiging niet nodig is, zijn sommige planetaire microlensing-gebeurtenissen bevestigd. Het planetaire signaal voor gebeurtenis OGLE-2005-BLG-169 werd bevestigd door HST- en Keck-waarnemingen (Bennett et al.2015; Batista et al.2015). Bovendien kunnen microlensing-onderzoeken alleen ruwe schattingen van de afstand van een planeet opleveren, waardoor er aanzienlijke marges voor fouten overblijven.
Microlensing kan ook geen nauwkeurige schattingen geven van de orbitale eigenschappen van een planeet, aangezien het enige orbitale kenmerk dat direct met deze methode kan worden bepaald, de huidige semi-grote as van de planeet is. Als zodanig zijn planeten met een excentrieke baan slechts detecteerbaar voor een klein deel van zijn baan (wanneer deze ver van zijn ster verwijderd is).
Ten slotte is microlensing afhankelijk van zeldzame en willekeurige gebeurtenissen - de doorgang van één ster precies vóór een andere, gezien vanaf de aarde - wat detecties zowel zeldzaam als onvoorspelbaar maakt.
Voorbeelden van gravitational microlensing surveys:
Enquêtes die afhankelijk zijn van de microlensing-methode omvatten het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) aan de Universiteit van Warschau. Geleid door Andrzej Udalski, de directeur van de Astronomical Observatory van de universiteit, gebruikt dit internationale project de 1,3 meter lange "Warsaw" -telescoop in Las Campanas, Chili, om microlensing-gebeurtenissen te zoeken in een veld van 100 sterren rond de galactische uitstulping.
Er is ook de Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) -groep, een samenwerkingsverband tussen onderzoekers in Nieuw-Zeeland en Japan. Onder leiding van professor Yasushi Muraki van de universiteit van Nagoya gebruikt deze groep de microlensing-methode om onderzoeken uit te voeren naar donkere materie, buitenzonne-planeten en stellaire atmosferen vanaf het zuidelijk halfrond.
En dan is er het Probing Lensing Anomalies NETwork (PLANET), dat bestaat uit vijf telescopen van 1 meter verspreid over het zuidelijk halfrond. In samenwerking met RoboNet kan dit project bijna continue waarnemingen leveren voor microlensing-gebeurtenissen veroorzaakt door planeten met een massa zo laag als die van de aarde.
Het meest gevoelige onderzoek tot nu toe is het Korean Microlensing Telescope Network (KMTNet), een project dat in 2009 is geïnitieerd door het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). KMTNet vertrouwt op de instrumenten van drie zuidelijke observatoria om 24 uur per dag continu toezicht te houden op de Galactische uitstulping, op zoek naar microlensingsgebeurtenissen die de weg zullen wijzen naar planeten van de aardmassa die in een baan rond hun sterren bewoonbare zones draaien.
We hebben veel interessante artikelen geschreven over exoplaneetdetectie hier bij Space Magazine. Hier is wat zijn extra zonneplaneten ?, wat is de transit-methode ?, wat is de radiale snelheidsmethode ?, wat is zwaartekrachtlensing? en het universum van Kepler: meer planeten in onze Melkweg dan sterren
Ga voor meer informatie naar de NASA-pagina over Exoplanet Exploration, de Planetary Society-pagina over Extrasolar Planets en het NASA / Caltech Exoplanet-archief.
Astronomy Cast heeft ook relevante afleveringen over het onderwerp. Hier is aflevering 208: de Spitzer-ruimtetelescoop, aflevering 337: fotometrie, aflevering 364: de CoRoT-missie en aflevering 367: Spitzer doet exoplaneten.
Bronnen:
- NASA - 5 manieren om een planeet te vinden
- Planetary Society - Microlensing
- Wikipedia - Methoden voor het detecteren van exoplaneten
