Onder de duizenden exoplaneten, die draaien in een baan rond een andere ster, moeten exemplaren zitten die lijken op de onze. Een team prominente sterrenkundigen heeft een ambitieus plan om een foto te maken van zo’n exo-aarde, om die nader te kunnen onderzoeken.
is wetenschapsjournalist. Hij schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde.
Makkelijk is het niet. Je hebt er een reuzentelescoop op aarde voor nodig, die samenwerkt met een soort zonnescherm in de ruimte, ongeveer half zo ver als de maan. Maar in een artikel dat eerder dit jaar in Nature Astronomy verscheen, rekenen sterrenkundigen voor dat het misschien niet eenvoudig is, maar wel mogelijk.
Grote namen bovendien. John Mather, Nobelprijswinnaar en wetenschappelijk projectleider van de James Webb Space Telescope. Michel Mayor, die ook een Nobelprijs won, voor de ontdekking van de eerste planeet buiten ons zonnestelsel. En Sara Seager, vooraanstaand Amerikaans planetenjager, en twee jaar geleden winnaar van de Kavli-prijs voor astrofysica.
Samen met zeven collega’s zetten Mather, Mayor en Seager de plannen uiteen voor een ‘hybride observatorium voor aarde-achtige exoplaneten’. Als je daarmee vanaf 55 lichtjaar afstand ons eigen zonnestelsel zou bestuderen, zou je de aarde, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus kunnen fotograferen. Andersom moeten aardse sterrenkundigen met deze techniek dus ook een ver planetenstelsel in beeld kunnen brengen.
‘Het lijkt op dit moment de beste optie om snel resultaat te boeken’, zegt Slava Turyshev van Nasa’s Jet Propulsion Laboratory, die zelf niet bij het project betrokken is. Ook Sebastiaan Haffert van de Leidse Sterrewacht noemt het voorstel ‘heel mooi’, al tekent hij er wel bij aan dat er nog heel wat hobbels genomen moeten worden. ‘De auteurs denken er misschien net iets te makkelijk over’, waarschuwt Haffert.
Het grote probleem is dat een aarde-achtige exoplaneet miljarden keren lichtzwakker is dan de ster waar hij omheen draait. Dus om hem te zien, moet je het licht van de ster afschermen. Automobilisten weten er alles van: als je tegen de ondergaande zon in rijdt, moet de zonneklep omlaag om nog iets te kunnen zien.
Vandaar dat zonnescherm in de ruimte. Of liever gezegd: een sterrenscherm. Bijna 100 meter groot en met een vormnauwkeurigheid van een tiende millimeter. En dan moet alles ook nog eens precies met de ronddraaiende aarde meebewegen, zodat de ster voor langere tijd verduisterd blijft. Ga er maar aan staan.
Het is komend najaar dertig jaar geleden dat de Zwitserse astronoom Mayor en zijn promovendus Didier Queloz voor het eerst in de geschiedenis een planeet ontdekten in een baan rond een andere ster. Inmiddels zijn er meer dan zesduizend van zulke exoplaneten bekend. In verreweg de meeste gevallen zijn die nooit echt gezien; het ging om indirecte ontdekkingen.
Rondcirkelende planeten verraden hun bestaan bijvoorbeeld doordat ze met hun zwaartekracht hun moederster een beetje aan het wiebelen brengen. Of ze houden een piepklein beetje sterlicht tegen wanneer ze, gezien vanaf de aarde, voor hun ster langs bewegen. Uit dat soort metingen kun je afleiden hoe groot en zwaar de planeet is, en op welke afstand hij rond de ster beweegt.
Mede dankzij ruimtetelescopen met fraaie namen als Cheops, Kepler en Tess weten sterrenkundigen dat minstens de helft van alle sterren in het heelal vergezeld wordt door een of meer planeten. En hoewel grote, zware planeten veel makkelijker te vinden zijn dan kleinere exemplaren, is wel duidelijk dat het in het Melkwegstelsel moet wemelen van de ‘exo-aardes’.
Met die term worden planeten bedoeld die qua grootte en samenstelling lijken op de aarde, en die op de juiste afstand van hun zon ronddraaien om het bestaan van oceanen en leven mogelijk te maken. Tweelingzusjes die je natuurlijk het liefst echt in beeld brengt voor vervolgonderzoek.
Met grote reuzenplaneten, vergelijkbaar met de planeet Jupiter in ons eigen zonnestelsel, is dat al gelukt. Dan moet zo’n planeet wel in een heel wijde baan bewegen, zodat hij minder snel door de ster wordt overstraald. En het helpt natuurlijk ook als de ster in kwestie een ondermaats dwergsterretje is, dat niet zo veel licht produceert. Met een infraroodtelescoop zoals ruimtetelescoop Webb kun je dan de warmtestraling van de planeet proberen vast te leggen.
Maar zelfs dan is het nodig om al het sterlicht te blokkeren. In een telescoop zoals James Webb gebeurt dat met een zogeheten coronagraaf: een soort afdekplaatje in de camera dat precies voor de ster wordt geplaatst. Ook de nieuwe Amerikaanse Roman Space Telescope, die eind augustus gelanceerd moet worden, krijgt zo’n coronagraaf.
Als alles meezit, kan een coronagraaf 99,9999999 procent van het sterlicht ‘wegfilteren’. ‘Maar’, zegt Haffert, ‘voordat dat gebeurt komt het wel ongehinderd in je telescoop terecht, waardoor je toch last hebt van stroolicht.’ Liever filter je het sterlicht al weg vóórdat het je telescoop binnenkomt. Bijvoorbeeld met een sterrenscherm (‘star shade’) op grote afstand.
Probleem is dan wel dat het sterrenscherm zich exact tussen de ster en de telescoop moet bevinden. Dat vergt dus heel wat hemelse navigatiekunst. En als je een tweede ster wilt bestuderen, moet je niet alleen je rondvliegende ruimtetelescoop in een andere richting draaien, maar ook het sterrenscherm opnieuw positioneren. En dat allemaal met extreem hoge precisie.
Het team van Mather, gesponsord door de Nasa, denkt dat het makkelijker gaat door een sterrenscherm te gebruiken in samenwerking met grote reuzentelescopen op de grond. Die zijn met hun gigantische spiegels bovendien veel gevoeliger dan de veel kleinere ruimtetelescopen, zodat je binnen een kwartiertje al een exo-aarde kunt vastleggen.
In Noord-Chili zijn twee van die kolossale telescopen in aanbouw: de Giant Magellan Telescope, met een effectieve spiegeldiameter van 24 meter, en de Europese Extremely Large Telescope, van bijna 40 meter groot. Daarnaast zijn er vergevorderde plannen voor de bouw van de Thirty Meter Telescope, mogelijk op het Canarische eiland La Palma.
Volgens de publicatie in Nature Astronomy zouden de reuzentelescopen om beurten kunnen samenwerken met een 99 meter groot sterrenscherm, dat op zo’n 175 duizend kilometer afstand rond de aarde cirkelt. Je moet dan wel de storende trillingen in de aardse dampkring compenseren, maar daar hebben sterrenkundigen veel ervaring mee opgedaan.
Overigens moet je je zo’n sterrenscherm niet voorstellen als een simpele ronde reuzenparasol. De star shades die tot nu toe op de tekentafel liggen, zien eruit als reusachtige zonnebloemen, met tientallen kronkelige bloemblaadjes. Die zijn zo ontworpen dat lichtgolven erdoor worden afgebogen en elkaar vervolgens uitdoven.
Er zijn al manieren bedacht om zo’n gevaarte te lanceren. Je zou het scherm opblaasbaar kunnen maken als een gigantisch luchtbed. Of je kunt het voor de lancering opvouwen tot een origamipakketje.
Volgens Haffert zitten er nog wel de nodige haken en ogen aan het hele concept. Het steeds opnieuw heel precies herpositioneren van het sterrenscherm blijft een grote uitdaging, zegt hij. En door het effect van de aardse dampkring is het ook moeilijk om het licht van een exoplaneet tegelijkertijd op verschillende golflengten te meten – iets wat wel nodig is om water en zuurstof te ontdekken.
De Russisch-Amerikaanse astronoom Slava Turyshev is wat optimistischer. ‘Het ziet er allemaal heel haalbaar uit’, zegt hij. En Turyshev denkt ook meteen een reuzenstap verder. Want een exo-aarde in beeld brengen als één klein, blauw pixeltje is leuk en aardig, maar nog veel liever bekijk je hem in ongekend detail en breng je continenten, oceanen en wolkenpatronen in kaart.
Dat zou moeten lukken met een ruimtetelescoop op – niet schrikken – 100 miljard kilometer afstand van de zon. Je gebruikt de zwaartekracht van de zon dan als een kolossale telescooplens die het licht van een verre exoplaneet afbuigt en op die enorme afstand focust. Het idee voor zo’n solar gravitational lens dateert al uit 1979.
Turyshev trekt een vergelijking met een filmprojector. ‘Die creëert een mooi scherp beeld op het bioscoopscherm’, zegt hij. ‘Maar stel nou dat er geen scherm is. Je kunt het plaatje dan toch reconstrueren, door op een aantal plekken voor in de zaal in de richting van de projector te kijken en het opgevangen licht nauwkeurig te analyseren.’
Zo zou een relatief kleine ruimtetelescoop door het ‘brandvlak’ van de zon moeten bewegen om op een groot aantal punten het afgebogen (en versterkte) licht op te meten van een verre exoplaneet die zich op grote afstand áchter de zon bevindt.
Uit computersimulaties blijkt dat je op die manier een aarde-achtige planeet echt in kaart kunt brengen, zelfs al bevindt die zich op tientallen lichtjaren afstand. ‘Er zijn geen concrete plannen’, zegt Turyshev, ‘maar ik hoop nog steeds dat zo’n missie in 2034 gelanceerd kan worden.’
Zelfs met futuristische voortstuwingstechnieken duurt het dan nog ruim twintig jaar voordat je een ruimtetelescoop op 100 miljard kilometer afstand krijgt. Opschieten dus, aldus Turyshev, want hij is nu 63, en hij wil het nog wel meemaken.
‘Het zou heel gaaf zijn’, zegt Sebastiaan Haffert, ‘en van alle ideeën om verre planeten in detail in beeld te brengen, heeft de solar gravitational lens beslist de beste kaarten.’ Maar ook hier is er natuurlijk sprake van enorme technologische uitdagingen.
Eerst zo’n exo-aarde maar eens echt op de foto zetten, als is het maar als een nietig lichtstipje. Dat gaat ergens in de komende vijftien jaar zeker lukken, denkt Haffert. Misschien met die hybride techniek van John Mather en zijn collega’s, en anders wel met een nieuwe generatie coronagrafen.
Zelf werkt Haffert mee aan de ontwikkeling van een coronagraaf voor het Habitable Worlds Observatory, een grote toekomstige ruimtetelescoop van Nasa. En hij is ook betrokken bij het ontwerp van een extreem gevoelige ‘planetencamera’ voor de Europese Extremely Large Telescope, die ook wordt voorzien van een geavanceerde coronagraaf.
Het duurt nog wel tien à vijftien jaar voordat die camera klaar is, aldus Haffert, maar wie weet heeft de Europese reuzentelescoop begin jaren veertig helemaal geen ingewikkeld sterrenscherm meer nodig om een tweelingzusje van de aarde op de foto te zetten.
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant