Wanneer we naar de nachtelijke hemel kijken, zien we sterren als vaste lichtpunten. Toch zijn sterren niet helemaal onbeweeglijk. Elke ster die een planeet heeft, voert een subtiele dans uit. Het lijkt misschien alsof de planeet rond de ster draait, maar in werkelijkheid draaien beide om hun gemeenschappelijk zwaartepunt. Omdat de ster zoveel massiever is, maakt zij maar een piepkleine wiebelbeweging. De radiale snelheidsmethode, ook wel Doppler-spectroscopie genoemd, is de techniek waarmee astronomen deze wiebel kunnen meten. Dit was de eerste succesvolle methode om planeten rond gewone sterren te ontdekken, en nog steeds een van de belangrijkste instrumenten in de zoektocht naar exoplaneten.
Het Dopplereffect in het dagelijks leven
Om te begrijpen hoe deze methode werkt, is het handig om te beginnen met een alledaags voorbeeld: het geluid van een ambulance. Wanneer een ambulance met sirene op je af komt, klinkt het geluid hoger. Zodra hij voorbij rijdt en zich van je verwijdert, klinkt het lager. Dit is het Dopplereffect: geluidsgolven worden samengedrukt als de bron naar je toe beweegt (hogere toon), en uitgerekt als de bron van je af beweegt (lagere toon). Met licht werkt hetzelfde principe. Als een ster naar ons toe beweegt, verschuift haar licht een beetje richting blauw (kortere golflengte). Beweegt ze van ons af, dan verschuift het licht naar rood (langere golflengte).
Hoe een planeet een ster laat wiebelen
Stel je een danseres voor die een zware partner vasthoudt. Zij kan soepel rondjes draaien, maar ook hij maakt een kleine draaiende beweging. Zo gaat het ook bij sterren en planeten. Een planeet trekt voortdurend aan zijn ster door de zwaartekracht. Dat zorgt ervoor dat de ster niet stilstaat, maar om een klein punt buiten haar kern draait. Voor een gasreus als Jupiter is die wiebel best groot: onze Zon maakt daardoor een slinger met een snelheid van ongeveer 12 meter per seconde. Voor de Aarde is het effect veel kleiner, slechts zo’n 0,1 meter per seconde. Die wiebelbeweging is niet zichtbaar met een telescoop, maar wel meetbaar via het Dopplereffect. Door het sterlicht op te splitsen in een spectrum kunnen astronomen uiterst kleine verschuivingen in de spectraallijnen zien.
Het meten van radiale snelheid
De term radiale snelheid betekent: de snelheid waarmee iets in de richting van de waarnemer beweegt of zich ervan verwijdert. Het gaat dus niet om de beweging zijwaarts aan de hemel, maar puur om de beweging langs de gezichtslijn. Met moderne spectrografen kunnen astronomen veranderingen meten van enkele meters per seconde, vergelijkbaar met de loopsnelheid van een mens. Dat lijkt ongelooflijk precies, maar met technieken zoals de HARPS-spectrograaf in Chili is dit dagelijkse kost. Als de ster periodiek naar ons toe en van ons af beweegt, verraadt dat de aanwezigheid van een planeet in een regelmatige baan.
Wat kunnen we leren uit radiale snelheidsmetingen?
Uit de vorm en de amplitude van de snelheidsvariaties kunnen astronomen veel informatie halen:
- Omlooptijd: De frequentie van de wiebel vertelt hoe lang de planeet erover doet om één rondje te maken.
- Minimale massa: Hoe sterker de wiebel, hoe zwaarder de planeet moet zijn. Maar omdat we meestal niet weten onder welke hoek we naar het systeem kijken, krijgen we alleen een ondergrens van de massa. Als we bijvoorbeeld recht van boven zouden kijken, zou er geen waarneembare radiale beweging zijn.
- Excentriciteit van de baan: Als de baan niet perfect rond is maar elliptisch, veroorzaakt dat een asymmetrische wiebel. Uit de details van de snelheidskromme kan men dus ook afleiden hoe elliptisch de baan is.
Een historisch keerpunt: 51 Pegasi b
De radiale snelheidsmethode schreef geschiedenis in 1995, toen Michel Mayor en Didier Queloz met behulp van het Observatorium van Haute-Provence in Frankrijk de eerste planeet rond een zonachtige ster ontdekten: 51 Pegasi b. De ster vertoonde een periodieke wiebel met een periode van slechts 4 dagen. Dit kon alleen verklaard worden door een gasreus die extreem dicht bij zijn ster stond: de eerste hete Jupiter. Deze ontdekking leverde Mayor en Queloz in 2019 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op en betekende het begin van de moderne exoplaneetkunde.
De huidige stand van de techniek
Moderne spectrografen zoals HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) in Chili en ESPRESSO op de Very Large Telescope kunnen nauwkeurigheden bereiken tot onder de 1 meter per seconde. Voor de komende decennia mikken astronomen zelfs op 10 cm/s, genoeg om Aarde-tweelingen rond nabije zonachtige sterren te vinden.
De radiale snelheidsmethode blijft onmisbaar, ook nu er nieuwe methoden zijn. Terwijl ruimtemissies als TESS en PLATO transiterende planeten vinden, zijn spectrografen op Aarde nodig om de massa’s te meten. Zonder radiale snelheden weten we niet of een planeet een opgeblazen gasbal is of een compacte rots. De komende jaren zullen nieuwe instrumenten zoals HIRES op de Extremely Large Telescope (ELT) in Chili de gevoeligheid nog verder verhogen. Daarmee kunnen we mogelijk zelfs tekenen vinden van Aarde-achtige planeten in de bewoonbare zone van nabije sterren.
Sterke en zwakke punten van deze methode:
- Voordelen:
Ze werkt bij veel verschillende soorten sterren.
Ze is zeer effectief voor zware planeten dichtbij hun ster (hete Jupiters).
Ze levert directe informatie over de massa en baanvorm. - Nadelen:
De hoek waaronder we naar het systeem kijken is onbekend, waardoor we alleen de minimale massa weten.
Voor kleine planeten zoals de Aarde is het signaal extreem zwak (enkele cm/s), bijna op de grens van wat vandaag technisch haalbaar is.
Activiteit op de ster (zonnevlekken, pulsaties) kan het signaal nabootsen en zo ruis veroorzaken.
Illustratie: Las Cumbres Observatory
