De studie van exoplaneten is de afgelopen jaren ver gevorderd, grotendeels dankzij de Kepler-missie. Maar die missie heeft zijn beperkingen. Het is moeilijk voor Kepler en voor andere technologieën om regio's dicht bij hun sterren af te beelden. Nu kunnen astronomen met een nieuw instrument genaamd een vortex-coronagraaf, geïnstalleerd op het Keck-observatorium in Hawaï, protoplanetaire schijven bekijken die zich heel dicht bij de sterren bevinden die ze in een baan om de aarde draaien.
Het probleem met het bekijken van stofschijven, en zelfs planeten, dicht bij hun sterren, is dat sterren zoveel helderder zijn dan objecten die er omheen draaien. Sterren kunnen miljarden keren helderder zijn dan de planeten in de buurt, waardoor het bijna onmogelijk is om ze in de schittering te zien. "De kracht van de vortex ligt in het vermogen om planeten heel dicht bij hun ster in beeld te brengen, iets wat we nog niet kunnen doen voor aardachtige planeten", zegt Gene Serabyn van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL). "De vortex-coronagraaf kan de sleutel zijn tot het maken van de eerste afbeeldingen van een lichtblauwe stip zoals de onze."
"De kracht van de vortex ligt in het vermogen om planeten heel dicht bij hun ster af te beelden, iets wat we nog niet kunnen doen voor aardachtige planeten." - Gene Serabyn, JPL.
"De vortex-coronagraaf stelt ons in staat om in de regio's rond sterren te kijken waar gigantische planeten zoals Jupiter en Saturnus zouden ontstaan", zegt Dmitri Mawet, onderzoekswetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory en Caltech, beide in Pasadena. “Voorheen konden we ons alleen gasreuzen voorstellen die veel verder weg zijn geboren. Met de vortex zullen we planeten kunnen zien die zo dicht bij hun sterren cirkelen als Jupiter bij onze zon, of ongeveer twee tot drie keer dichterbij dan voorheen mogelijk was. ”
In plaats van het licht van sterren te maskeren, zoals andere methoden om exoplaneten te bekijken, leidt de vortex-coronagraaf het licht weg van de detectoren door lichtgolven te combineren en ze uit te schakelen. Omdat er geen occult masker is, kan de vortex-coronagraaf afbeeldingen vastleggen van gebieden die veel dichter bij sterren staan dan andere coronagrafen. Dmitri Mawet, onderzoekswetenschapper die de nieuwe coronagraaf heeft uitgevonden, vergelijkt deze met het oog van een storm.
'Het instrument wordt een vortex-coronagraaf genoemd omdat het sterlicht is gecentreerd op een optische singulariteit, waardoor een donker gat ontstaat op de locatie van het beeld van de ster', zei Mawet. “Orkanen hebben een bijzonderheid in hun centra waar de windsnelheden tot nul dalen - het oog van de storm. Onze vortex-coronagraaf is in feite het oog van een optische storm waar we het sterrenlicht naar sturen. ”
De resultaten van de vortex-coronagraaf worden gepresenteerd in twee artikelen (hier en hier) gepubliceerd in het Astronomical Journal van januari 2017. Een van de onderzoeken werd geleid door Gene Serabyn van JPL, die ook hoofd is van het Keck vortex-project. Die studie presenteerde het eerste directe beeld van HIP79124 B, een bruine dwerg die 23 AU verwijderd is van zijn ster, in het stervormingsgebied genaamd Scorpius-Centaurus.
“De mogelijkheid om heel dicht bij sterren te zien, stelt ons ook in staat om naar planeten te zoeken rond verder weg gelegen sterren, waar de planeten en sterren dichter bij elkaar zouden verschijnen. De mogelijkheid hebben om verre sterren voor planeten te onderzoeken, is belangrijk voor het vangen van planeten die zich nog vormen, ”zei Serabyn.
"De mogelijkheid hebben om verre sterren voor planeten te onderzoeken, is belangrijk voor het vangen van planeten die zich nog vormen." - Gene Serabyn, JPL.
De tweede van de twee vortexstudies toonde beelden van een protoplanetaire schijf rond de jonge ster HD141569A. Die ster heeft eigenlijk drie schijven eromheen en de coronagraaf kon een afbeelding van de binnenste ring vastleggen. Door de vortex-gegevens te combineren met gegevens van de Spitzer-, WISE- en Herschel-missies, bleek dat het planeetvormende materiaal in de schijf bestaat uit olivijnkorrels ter grootte van een kiezelsteen. Olivijn is een van de meest voorkomende silicaten in de aardmantel.
'De drie ringen rond deze jonge ster zijn als Russische poppen genest en ondergaan dramatische veranderingen die doen denken aan planetaire vorming', zei Mawet. "We hebben aangetoond dat silicaatkorrels zijn geagglomereerd tot kiezelstenen, de bouwstenen van de embryo's van de planeet."
Deze afbeeldingen en studies zijn nog maar het begin voor de vortex-coronagraaf. Het zal worden gebruikt om naar veel meer jonge planetaire systemen te kijken. Het zal met name kijken naar planeten in de buurt van zogenaamde ‘frost-lijnen’ in andere zonnestelsels. Dit is het gebied rond sterrenstelsels waar het koud genoeg is voor moleculen zoals water, methaan en kooldioxide om te condenseren tot vaste, ijzige korrels. Het huidige denken zegt dat de vrieslijn de scheidslijn is tussen waar rotsachtige planeten en gasplaneten worden gevormd. Astronomen hopen dat de coronagraaf vragen over hete Jupiters en hete Neptunes kan beantwoorden.
Hot Jupiters en Neptunes zijn grote gasvormige planeten die heel dicht bij hun sterren worden gevonden. Astronomen willen weten of deze planeten zich dicht bij de vrieslijn hebben gevormd en vervolgens naar hun sterren zijn gemigreerd, omdat ze onmogelijk zo dicht bij hun sterren kunnen vormen. De vraag is, welke krachten veroorzaakten dat ze naar binnen migreerden? "Met een beetje geluk vangen we misschien planeten op tijdens het migreren door de planeetvormende schijf, door naar deze zeer jonge objecten te kijken", zei Mawet.
