Het GRAVITY-instrument van ESO’s Very Large Telescope Interferometer (VLTI) heeft voor het eerst een exoplaneet rechtstreeks waargenomen met behulp van optische interferometrie. Op die manier is een complexe planeetatmosfeer ontdekt met wervelende wolken van ijzer en silicaten. De techniek biedt unieke mogelijkheden om ook de eigenschappen van veel andere reeds bekende exoplaneten te bepalen.
Dit resultaat is vandaag door de GRAVITY Collaboration [1] bekendgemaakt in een publicatie in het tijdschrift Astronomy and Astrophysics, waarin zij waarnemingen van de exoplaneet HR 8799 e presenteren die met optische interferometrie zijn verkregen. Deze exoplaneet werd in 2010 ontdekt in een baan rond de jonge hoofdreeksster HR 8799, die op een afstand van ongeveer 129 lichtjaar in het sterrenbeeld Pegasus staat. Voor het vandaag gepresenteerde resultaat, dat nieuwe eigenschappen van HR 8799 e onthult, was een instrument met een zeer hoge resolutie en gevoeligheid nodig. GRAVITY kan de vier afzonderlijke hoofdtelescopen van ESO’s Very Large Telescope door middel van een techniek die interferometrie wordt genoemd [2] aan elkaar koppelen, om zo een grotere telescoop na te bootsen. Zo ontstaat een ‘supertelescoop’ – de VLTI – die het licht uit de atmosfeer van HR 8799 e kan verzamelen en nauwkeurig kan scheiden van het licht van zijn moederster [3].
HR 8799 e is een ‘super-Jupiter’ – een planeettype dat in ons zonnestelsel niet voorkomt. De planeet is zowel zwaarder als veel jonger dan alle planeten die om de zon draaien. Met een leeftijd van slechts 30 miljoen jaar is deze exoplaneet jong genoeg om wetenschappers inzicht te geven in het ontstaansproces van planeten en planetenstelsels. De exoplaneet is uiterst onherbergzaam – de resterende energie van zijn vorming en een krachtig broeikaseffect jagen zijn temperatuur op tot ongeveer 1000 °C. Het is voor het eerst dat optische interferometrie is gebruikt om details van een exoplaneet te onthullen, en de nieuwe techniek heeft een spectrum van ongekende kwaliteit opgeleverd dat tien keer gedetailleerder is dan eerdere waarnemingen. Uit de metingen van het onderzoeksteam kon de samenstelling van de atmosfeer van HR 8799 e worden afgeleid, en dat leverde enkele verrassingen op.
‘Onze analyse laat zien dat HR 8799 e een atmosfeer heeft die veel meer koolmonoxide bevat dan methaan – iets wat niet wordt verwacht vanuit de evenwichtschemie,’ verklaart teamleider Sylvestre Lacour CNRS-onderzoeker aan de sterrenwacht van Parijs/PSL-universiteit en aan het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. ‘We kunnen dit verrassende resultaat het best verklaren met hoge verticale winden in de atmosfeer, die voorkomen dat het koolmonoxide met waterstof reageert om methaan te vormen.’ Het team ontdekte dat de atmosfeer ook wolken van ijzer en silicaatstof bevat. In combinatie met de overmaat aan koolmonoxide, wijst dit erop dat de atmosfeer van HR 8799 e wordt geteisterd door een kolossale woeste storm.
‘Onze waarnemingen wijzen erop dat de atmosfeer van de planeet van binnenuit wordt verwarmd en gedeeltelijk bewolkt is,’ licht Lacour toe. ‘Convectie rond de wolken van silicaat- en ijzerdeeltjes zorgt ervoor dat deze uiteenvallen en omlaag ‘regenen’. Dit roept het beeld op van een reusachtige, pasgeboren exoplaneet, die complexe fysische en chemische processen ondergaat.’ Het nieuwe resultaat bouwt voort op de reeks baanbrekende ontdekkingen van GRAVITY, zoals de waarneming vorig jaar van gas dat met dertig procent van de lichtsnelheid net buiten de waarnemingshorizon om het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg kolkt. Het is ook een nieuwe toevoeging aan het toch al uitgebreide arsenaal aan methoden dat beschikbaar is voor de telescopen en instrumenten van ESO – en maakt zo de weg vrij voor nog veel meer indrukwekkende ontdekkingen [4].
Noten
[1] GRAVITY werd ontwikkeld door ESO, in samenwerking met het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Duitsland), het LESIA-lab van de sterrenwacht van Parijs (PSL)/CNRS/Université Sorbonne/Univ. Paris Diderot en het IPAG-instituut van de Université Grenoble Alpes/CNRS (Frankrijk), het Max-Planck-Institut für Astronomie (Duitsland), de Universiteit van Keulen (Duitsland) en het CENTRA-Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal).
[2] Interferometrie is een techniek waarmee astronomen een ‘supertelescoop’ kunnen maken door verschillende kleinere telescopen met elkaar te verbinden. De VLTI van ESO is een interferometrische telescoop die ontstaat door combinatie van twee of meer van de hoofdtelescopen van de VLT of alle vier de kleinere hulptelescopen. Dat resulteert in een telescoop die tot wel 25 keer meer oplossend vermogen heeft dan elke hoofdtelescoop afzonderlijk.
[3] Exoplaneten kunnen op verschillende manieren worden waargenomen. Sommige zijn indirect, zoals de radiële-snelheidsmethode van ESO’s instrument voor de jacht op exoplaneten, HARPS, dat de snelheidsverandering meet die de zwaartekracht van een planeet bij zijn moederster teweegbrengt. Directe methoden, zoals de techniek die tot dit resultaat heeft geleid, behelzen waarnemingen van de planeet zelf, in plaats van zijn effect op zijn moederster.
[4] Tot de meest recente ontdekkingen van exoplaneten die met ESO-telescopen zijn gedaan, behoren de succesvolle ontdekking vorig jaar van een superaarde in een baan om de Ster van Barnard, de meest nabije enkelvoudige buurster van onze zon, en de ontdekking van jonge planeten met ALMA, die op een andere nieuwe techniek voor de detectie van exoplaneten was gebaseerd.
