Een voorstelling van een aantal van de pas ontdekte exo-planeten, op schaal getekend met de aarde. NASA/JPL (Neptune), NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring (Earth), MPS/René Heller

18 'kleine' exoplaneten ontdekt, ongeveer zo groot als de aarde

Duitse onderzoekers hebben 18 planeten buiten ons zonnestelsel ontdekt die ongeveer zo groot zijn als de aarde. De werelden zijn zo klein dat eerdere onderzoeken ze over het hoofd hadden gezien. Eén ervan is de kleinste exoplaneet die tot nu toe bekend is, een andere zou geschikt kunnen zijn voor leven zoals wij het kennen. De onderzoekers analyseerden een deel van de data van de Kepler ruimtetelescoop opnieuw, met een nieuwe en meer gevoelige methode die ze ontwikkeld hebben. Ze schatten dat ze daarmee nog eens 100 exoplaneten zullen kunnen vinden in het hele databestand van de Kepler-missie.

Tot nu toe zijn er iets meer dan 4.000 planeten ontdekt die een baan beschrijven rond een ster buiten ons zonnestelsel. Zo'n 96 procent van deze zogenoemde exoplaneten zijn beduidend groter dan de aarde, en zijn meer te vergelijken met gasreuzen als Neptunus of Jupiter. 

Dat percentage weerspiegelt waarschijnlijk de echte verhoudingen in de ruimte niet, maar kleine planeten zijn nu eenmaal moeilijker op te sporen dan grote. Kleine werelden zijn evenwel fascinerende doelwitten in de zoektocht naar aardachtige, mogelijk bewoonbare planeten buiten ons zonnestelsel. 

De pas ontdekte werelden vallen in dezelfde categorie van grootte als de aarde. De kleinste van de planeten heeft een grootte van slechts 69 procent van die van de aarde, de grootste heeft een diameter van iets meer dan twee keer die van de aarde. En ze hebben nog iets anders gemeen: alle 18 planeten konden tot nu toe niet ontdekt worden in de gegevens van de Kepler ruimtetelescoop van de NASA. De gebruikelijke zoekalgoritmes waren niet gevoelig genoeg. 

Het nieuwe algoritme van de Duitse onderzoekers zoekt niet naar een abrupte terugval in de helderheid van sterren bij de transit van een planeet, zoals de vroegere standaard algoritmes, maar naar het typische, geleidelijke verminderen van de helderheid en een geleidelijk herstel. Dat maakt dat het nieuwe algoritme voor het zoeken naar transits of overgangen van planeten voor een ster, veel gevoeliger is voor kleine, aardachtige planeten. NASA/SDO (Sun), MPS/René Heller

De transit-methode

Astronomen gebruiken in hun zoektocht naar verre werelden vaak de zogenoemde transit-methode om te zoeken naar sterren met op regelmatige tijdstippen weerkerende dalingen in hun helderheid. Als een ster toevallig een planeet heeft waarvan het orbitaal vlak - het geometrisch vlak waarin haar omloopbaan ligt - op één lijn ligt met het gezichtsveld vanop de aarde, dan verduistert de planeet een deel van het licht van de ster als ze over het oppervlak voorbij trekt. Dat gebeurt één keer per omloop, en het wordt een overgang of transit genoemd. 

"Standaard zoekalgoritmen proberen bruuske dalingen in de helderheid te identificeren", zei doctor René Heller in een persmededeling van het Max-Planck-Geselschaft. "In werkelijkheid blijkt een stellaire schijf aan de rand iets donkerder te zijn dan in het midden. Als een planeet voor een ster schuift, blokkeert ze dus in het begin minder sterrenlicht dan in het midden van de overgang. Het licht van de ster wordt maximaal gedimd in het midden van de overgang, net voor de ster geleidelijk aan opnieuw helderder wordt."

René Heller is een astrofysicus aan het Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, en de eerste auteur van de nieuwe studie over de exoplaneten.  

Grote planeten hebben de neiging om grote en duidelijke veranderingen in de helderheid van hun gaststerren te veroorzaken, zodat de subtiele variatie in helderheid tussen de rand en het centrum van de ster nauwelijks een rol speelt bij hun ontdekking.

Kleine planeten stellen de onderzoekers echter voor enorme uitdagingen. Hun effect op de helderheid van de sterren is zo klein dat het extreem moeilijk is om het te onderscheiden van de natuurlijke fluctuaties van de ster, en van de ruis die onvermijdelijk is bij elk soort observatie. Het team van René Heller heeft nu kunnen aantonen dat de gevoeligheid van de transit-methode aanzienlijk verbeterd kan worden als een meer realistische lichtcurve wordt opgenomen in het zoekalgoritme. 

"Ons nieuwe algoritme helpt een realistischer beeld te geven van de populatie van exoplaneten in de ruimte", zo vatte Michael Hippke van de Sternwarte Sonneberg het samen. "Deze methode betekent een beduidende stap voorwaarts, vooral voor de zoektocht naar aardachtige planeten."   

Het volledige beeld van bovenaan: een voorstelling van de 18 pas ontdekte exoplaneten, vergeleken met de aarde en Neptunus die op dezelfde schaal voorgesteld zijn. Alleen planeet EPIC 201238110.02 is koud genoeg om vloeibaar water op haar oppervlak te kunnen hebben. NASA/JPL (Neptune), NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring (Earth), MPS/René Heller

Hete werelden, dicht bij hun ster

De onderzoekers gebruikten de data van de Kepler ruimtetelescoop om hun nieuwe algoritme uit te testen. In de eerste fase van zijn missie, van 2009 tot 2013, legde Kepler de lichtcurves vast van meer dan 100.000 sterren, wat leidde tot de ontdekking van meer dan 2.300 planeten. 

Na een technisch defect moest de telescoop in een alternatieve observatiemodus gebruikt worden, die de K2 missie genoemd werd. Desondanks had de telescoop tegen het einde van zijn missie in 2018 nog eens meer dan 100.000 sterren geobserveerd. 

Als een eerste proef voor hun nieuwe algoritme besloten de onderzoekers de gegevens opnieuw te analyseren van de 517 sterren uit de K2 missie waarvan reeds geweten was dat ze minstens één planeet hadden die een overgang maakte. Bovenop die 517 reeds bekende planeten, ontdekten de onderzoekers 18 nieuwe objecten die men eerder over het hoofd had gezien.

"In de meeste van de planetaire systemen die we bestudeerd hebben, zijn de nieuwe planeten de kleinste", zei mede-auteur Kai Rodenbeck van de Georg-August-Universität Göttingen en het Max-Planck-Geselschaft. Bovendien hebben de meeste van de nieuwe planeten een baan die dichter bij hun ster ligt dan hun eerder ontdekte planetaire metgezellen. Op het oppervlak van de nieuwe planeten heersen waarschijnlijk dan ook temperaturen die flink boven 100 graden Celsius liggen, en sommige hebben temperaturen tot wel 1.000 graden. 

Slechts een van de objecten vormt een uitzondering: waarschijnlijk ligt het in een baan rond zijn rode dwergster in de zogenoemde leefbare zone. Op deze gunstige afstand van zijn ster kunnen er op de planeet omstandigheden heersen waarin er vloeibaar water kan voorkomen op het oppervlak - een van de basisvoorwaarden voor het leven zoals we het kennen op aarde.

Een foto van de transitie of overgang van het ruimteveer Atlantis over de zon in 2009. Thierry Legault/NASA/Pub. dom.

Fascinerende mogelijkheden

De onderzoekers kunnen uiteraard niet uitsluiten dat ook hun methode blind is voor nog andere planeten in de onderzochte systemen. Meer in het bijzonder is het geweten dat kleine planeten op grote afstanden van hun gastster problematisch zijn. Die doen er langer over om een volledige baan te beschrijven dan planeten die dichter bij de ster liggen, en als een gevolg daarvan liggen de overgangen over hun ster van dergelijke planeten verder uit elkaar in de tijd en gebeuren ze dus minder vaak. Dat maakt het nog moeilijker om hun signalen op te vangen. 

De nieuwe methode die ontwikkeld is door Heller en zijn collega's biedt fascinerende mogelijkheden. Boven op de 571 sterren die ze nu onderzocht hebben, biedt de Kepler-missie nog gegevensbestanden van honderdduizenden andere sterren. De onderzoekers nemen aan dat hun methode hen zal toelaten om meer dan 100 andere aardachtige werelden te vinden in de gegevens van de eerste missie van Kepler. 

Daarnaast kan ze ook bij toekomstige missies ingezet worden. "Deze nieuwe methode is bijzonder bruikbaar om de komende PLATO-missie voor te bereiden, die in 2026 door het European Space Agency (ESA) gelanceerd zal worden", zei professor doctor Laurent Gizon, gedelegeerd bestuurder van het Max-Planck-Geselschaft. PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars) is een ruimtetelescoop die tot doel heeft systemen met meerdere planeten te ontdekken rond sterren die lijken op de zon. Een aantal daarvan zullen dan waarschijnlijk omstandigheden kennen die gunstig zijn voor de ontwikkeling van leven. 

De studies van Heller, Rodenbeck en Hippke zijn gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics, een over een planeet in het systeem K2-32, een over de 17 andere pas ontdekte exoplaneten.