Astronomen onderzoeken constant het luchtruim voor het onverwachte. Ze zijn bereid nieuwe ideeën te omarmen die de wijsheid van de afgelopen jaren kunnen vervangen.
Maar er is één uitzondering op de regel: het zoeken naar Earth 2.0. Hier willen we niet het onverwachte vinden, maar het verwachte. We willen een planeet vinden die zo lijkt op de onze, dat we hem bijna thuis kunnen noemen.
Hoewel we deze planeten niet precies zo gedetailleerd kunnen voorstellen om te zien of er een waterwereld is met weelderige groene planten en beschavingen, kunnen we indirecte methoden gebruiken om een "aarde-achtige" planeet te vinden - een planeet met een vergelijkbare massa en straal naar de aarde.
Er is maar één probleem: de huidige technieken om de massa van een exoplaneet te meten zijn beperkt. Tot op heden meten astronomen de radiale snelheid - kleine wiebels in de baan van een ster die wordt voortgetrokken door de zwaartekracht van zijn exoplaneet - om de massaverhouding tussen planeet en ster af te leiden.
Maar aangezien de meeste exoplaneten worden gedetecteerd via hun doorvoersignaal - in het licht gedompeld als een planeet voor zijn gastster voorbijgaat - zou het dan niet geweldig zijn als we zijn massa alleen op basis van deze methode zouden kunnen meten? Welnu, astronomen van MIT hebben een manier gevonden.
Afgestudeerde student Julien de Wit en MacArthur Fellow Sara Seager hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om massa te bepalen door alleen een exoplanets transit-signaal te gebruiken. Wanneer een planeet doorgaat, gaat het licht van de ster door een dunne laag van de atmosfeer van de planeet, die bepaalde golflengten van het licht van de ster absorbeert. Zodra het sterrenlicht de aarde bereikt, wordt het bedrukt met de chemische vingerafdrukken van de samenstelling van de atmosfeer.
Dankzij het zogenaamde transmissiespectrum kunnen astronomen de atmosfeer van deze buitenaardse werelden bestuderen.
Maar hier is de sleutel: een grotere planeet kan een dikkere atmosfeer vasthouden. Dus in theorie zou de massa van een planeet kunnen worden gemeten op basis van de atmosfeer, of alleen het transmissiespectrum.
Natuurlijk is er geen één-op-één correlatie, anders hadden we dit al lang geleden uitgezocht. De omvang van de atmosfeer hangt ook af van de temperatuur en het gewicht van de moleculen. Waterstof is zo licht dat het gemakkelijker uit een atmosfeer glijdt dan bijvoorbeeld zuurstof.
De Wit werkte dus vanuit een standaardvergelijking die schaalhoogte beschrijft - de verticale afstand waarover de druk van een atmosfeer afneemt. De mate waarin de druk afneemt, is afhankelijk van de temperatuur van de planeet, de zwaartekracht van de planeet (ook bekend als massa) en de dichtheid van de atmosfeer.
Volgens basisalgebra: als we drie van deze parameters kennen, kunnen we de vierde oplossen. Daarom kan de zwaartekracht of massa van de planeet worden afgeleid uit zijn atmosferische temperatuur, drukprofiel en dichtheid - parameters die alleen in een transmissiespectrum kunnen worden verkregen.
Met het theoretische werk erachter gebruikten De Wit en Seager de hete Jupiter HD 189733b, met een reeds gevestigde massa, als casestudy. Hun berekeningen onthulden dezelfde massameting (1,15 maal de massa van Jupiter) als die verkregen door radiale snelheidsmetingen.
Deze nieuwe techniek zal de massa van exoplaneten kunnen karakteriseren op basis van alleen hun transitgegevens. Terwijl hete Jupiters het belangrijkste doelwit blijven voor de nieuwe techniek, willen De Wit en Seager in de nabije toekomst aardachtige planeten beschrijven. Met de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop gepland voor 2018, zouden astronomen de massa van veel kleinere werelden moeten kunnen verkrijgen.
De paper is gepubliceerd in Science Magazine en kan nu hier in veel langere vorm worden gedownload.
