Properties of extrasolar planets and their host stars

Over trillende sterren en hun planeten

De zoektocht naar onze plaats in het universum is al meer dan 2000 jaar oud. In 300 voor Christus schreef Epicurus al dat er oneindig veel werelden bestaan, sommige gelijkend op de onze, andere niet. In maart 2009 lanceerde het Amerikaanse NASA de satelliet Kepler, met als doel het ontdekken van nieuwe planeten. Daarnaast is het de bedoeling van de missie om stertrillingen te detecteren, een vakgebied dat bekend staat als asteroseismologie en waarvoor het hoofdkwartier in Denemarken terecht kwam. Sterrenkundige Vincent Van Eylen gebruikte nieuwe data van deze missie tijdens het onderzoek voor zijn masterthesis, en bestudeerde voor twee specifieke systemen zowel de aanwezige planeten als de stertrillingen.*

Onbekende werelden
De andere planeten in ons zonnestelsel kennen we ondertussen al een hele tijd, maar voor extrasolaire planeten (exoplaneten) geldt dat niet. In 1995 pas werd de eerste planeet rond een andere ster dan de zon ontdekt. Planeten zijn immers erg donker en staan vlakbij hun veel helderdere moederster, wat detectie erg moeilijk maakt. Vandaag kennen we enkele honderden exoplaneten, al weten we van heel wat exemplaren nog maar erg weinig.

Muziek der Sferen
Asteroseismologie is de wetenschap die trillingen van sterren bestudeert. Zo'n trillingen zijn te vergelijken met geluidsgolven. Hoe een ster precies trilt, hangt af van verschillende factoren, zoals bijvoorbeeld de dichtheid of temperatuur, net zoals de toon van een gitaar verandert, wanneer een snaar wordt aangespannen, of wanneer een instrument opwarmt. Het modelleren van dit stergeluid biedt dan als het ware een manier om naar de binnenkant van de ster te kijken – iets wat in sterrenkunde niet evident is.

Twee domeinen, één telescoop
Beide sterrenkundedomeinen maken gebruik van lichtkrachtvariaties in sterren om tot resultaten te komen. In asteroseismologie zorgen trillingen voor schommelingen in de stertemperatuur, wat leidt tot een veranderlijke helderheid. Een overgang of transit van een exoplaneet voor een ster, blokkeert dan weer tijdelijk een fractie van het sterlicht. Dit fenomeen is erg vergelijkbaar met een zonsverduistering, waarbij de maan het zonlicht geheel of gedeeltelijk blokkeert. Omdat een planeet heel wat kleiner is dan een ster, zal slechts een fractie van het licht geblokkeerd worden.

Om deze kleine variaties te kunnen observeren, lanceerde NASA in maart 2009 de ruimtetelescoop Kepler. Deze satelliet staat nu al enkele jaren gericht op een gebied in de ruimte, in de zogeheten Zomerdriehoek, bij de sterrenbeelden Zwaan en Lier. Hij wordt hierbij niet gehinderd door daglicht, atmosferische effecten of bewolking. Met dezelfde metingen kunnen ook stertrillingen worden geanalyseerd, zodat men soms spreekt van het aanbreken van de gouden tijd voor de asteroseismologie.

Een geslaagd huwelijk
Zo komt het dat twee op het eerste gezicht ongerelateerde onderzoeksdomeinen toch met elkaar te maken krijgen. Er valt echter nog meer voordeel te halen uit deze combinatie. Wanneer een exoplaneet zich voor een ster beweegt, kunnen we de grootte afleiden aan de hand van de hoeveelheid licht die wordt geblokkeerd. Een grotere planeet zal een grotere verduistering tot gevolg hebben. Om echter te weten hoe groot de planeet precies is, moet wel de grootte van de ster gekend zijn. Laat dit nu net een van de parameters zijn die met behulp van asteroseismologie kan worden bepaald.

In deze masterthesis worden twee specifieke stersystemen in detail bestudeerd. Hierbij werden de stertrillingen gebruikt om een hele resem sterparameters in detail te bepalen. Deze informatie werd dan gebruikt om ook heel wat eigenschappen van de planeet te bepalen. Van het ene stersysteem was al heel wat bekend en werden nieuwe observaties door Kepler gebruikt ter verfijning van de parameters, van de andere ster en planeet was nog helemaal geen eerder werk gepubliceerd.

De eigenschappen waarvan sprake zijn uiteenlopend. Hierbij gaat het bijvoorbeeld om leeftijd, straal, massa of rotatiesnelheid van de ster, net als de omwentelingsperiode, straal of temperatuur van de planeet. Door de precieze timing van de planetaire transits te bestuderen, kan men zelfs achterhalen of er mogelijk andere planeten omheen de ster cirkelen, ook als deze zelf geen verduistering veroorzaken.

Een zonnige toekomst
Een volledige analyse van een systeem, van zowel de ster als planeet, is uiterst zeldzaam. Het levert een bewijs dat de nieuwe Keplermetingen die sinds enkele jaren beschikbaar zijn, een revolutie hebben veroorzaakt. Aangezien de levensduur van de satelliet recent nog met enkele jaren is verlengd, mag ook in de komende jaren nog heel wat worden verwacht binnen asteroseismologie of het exoplanetair onderzoek. Voor elk domein afzonderlijk, of, zoals deze masterthesis bewijst, soms ook voor een combinatie van de twee.

* Hij deed dit tijdens een Erasmusjaar aan de universiteit van Aarhus, waar hij werd begeleid door de Deense professoren Hans Kjeldsen en Joergen Christensen-Dalsgaard. De thesis werd vanuit de KU Leuven begeleid door prof. Conny Aerts, die op 13 juni 2012 de Francquiprijs kreeg voor haar asteroseismisch onderzoek. De thesisresultaten werden eerder voorgesteld op een wetenschappelijke conferentie over stertrillingen in Oostenrijk. Vincent Van Eylen zet zijn thesisonderzoek voort en werkt in Denemarken aan een doctoraat.