Om nabije interessante exoplaneten te kunnen waarnemen, is volgens een nieuwe studie naar hoe de volgende grote ruimtetelescoop eruit zou kunnen zien, wellicht een nieuw telescoopontwerp nodig dat rechthoekig is in plaats van cirkelvormig. "We laten zien dat het mogelijk is om nabije, aardachtige planeten te vinden die rond zonachtige sterren draaien met een telescoop die ongeveer even groot is als de James Webb Space Telescope, die op ongeveer dezelfde infraroodgolflengte werkt als JWST, met een spiegel die een rechthoek is van 1 bij 20 meter in plaats van een cirkel met een diameter van 6,5 meter," schreef Heidi Newberg, hoogleraar astrofysica aan het Rensselaer Polytechnic Institute in New York, in een redactioneel artikel over het concept.
Bovenaan de Astronomy and Astrophysics Decadal Survey van de National Academies staat een nieuwe ruimtetelescoop die in staat is om planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zone van zonachtige sterren in beeld te brengen. Hoewel er nog geen definitief ontwerp is vastgesteld, wordt er gesproken over een ronde spiegel met een minimale opening van 8 meter. Dat is 1,5 meter groter dan de huidige grootste observatorium in een baan om de aarde, de JWST. Als het doel is om een planeet met een atmosfeer vol waterdamp in beeld te brengen, dan moet de telescoop worden geoptimaliseerd om licht met een golflengte van 10 micron (10 miljoenste van een meter, gelijk aan de dikte van een menselijke haar) te detecteren, wat de infraroodgolflengte is waarop waterdamp uitzendt.
Het Mid-Infrared Instrument (MIRI) van de JWST kan op deze golflengte waarnemen en heeft inderdaad waterdamp gedetecteerd in de atmosfeer van hete, massieve exoplaneten. Waarnemen in infrarood zorgt ook voor een contrastversterking: een planeet zou in zichtbaar licht een miljard keer zwakker zijn dan zijn ster, maar in het beste geval zou hij bij 10 micron ‘slechts’ een miljoen keer zwakker zijn, nog steeds extreem zwak, maar haalbaar binnen het bereik van een ruimtetelescoop van de volgende generatie. De gesegmenteerde spiegel van 6,5 meter van de JWST is echter te klein om een waterrijke planeet ter grootte van de aarde in de bewoonbare zone van een zonachtige ster waar te nemen. De hoekresolutie van een telescoop wordt bepaald door de waargenomen golflengte gedeeld door de diameter van de telescoop en vermenigvuldigd met 1,22 (het zogenaamde Rayleigh-criterium). Om een planeet ter grootte van de aarde op 10 micron op een afstand van ongeveer 30 lichtjaar waar te nemen, zou een telescoopopening van bijna 20 meter nodig zijn. Maar zo'n telescoop zou onbetaalbaar zijn en een technische nachtmerrie, omdat hij meerdere keren zou moeten worden opgevouwen om in de neuskegel van de raket te passen waarmee hij zou worden gelanceerd.
Als alternatief zouden er veel kleine telescopen de ruimte in kunnen worden gelanceerd om als optische interferometer te fungeren, waarbij het licht van alle telescopen wordt gecombineerd om de resolutie van een grotere opening te verkrijgen. Dit zou echter een uiterst nauwkeurige uitlijning tussen de kleinere telescopen vereisen, een technologische uitdaging die duur zou zijn en met de huidige technologie misschien zelfs onmogelijk. Het team van Newberg realiseerde zich echter dat een grote rechthoekige telescoopspiegel veel efficiënter zou zijn dan een enorme ronde spiegel, en vanwege de relatieve eenvoud veel minder kostbaar zou zijn dan een interferometer. Een telescoopspiegel in de vorm van een strook met afmetingen van 20 meter bij 1 meter zou een kleiner oppervlak hebben dan een ronde spiegel met dezelfde breedte, en daarom veel goedkoper zijn. Het idee zou dan zijn om de telescoop in de lengte uit te lijnen met de oriëntatie van de exoplaneet ten opzichte van zijn ster. Als de planeet zich in een andere oriëntatie bevindt, kan de rechthoekige telescoop worden gedraaid.
Opmerkelijk genoeg zou een dergelijke telescoop een iets kleiner verzameloppervlak hebben (20 vierkante meter) dan de JWST (25,4 vierkante meter). Het verschil is dat het volledige verzameloppervlak in de juiste richting zou staan om een planeet af te beelden, zonder dat er iets verloren gaat. Er zijn ongeveer 69 zonachtige sterren (spectraalklassen K, G en F), om nog maar te zwijgen van bijna 300 van de koelste sterren, M-dwergen, allemaal binnen 32,6 lichtjaar (10 parsec) van ons zonnestelsel, waarop een nieuwe telescoop zich zou kunnen richten. “We laten zien dat dit ontwerp in principe in minder dan drie jaar tijd de helft van alle bestaande aardachtige planeten kan vinden die binnen 30 lichtjaar rond zonachtige sterren draaien”, schrijft Newberg. “Als er ongeveer één aardachtige planeet rond de gemiddelde zonachtige ster draait, dan zouden we ongeveer 30 veelbelovende planeten vinden.”
Bron: Space.com/Keith Cooper
