Stel je voor dat je naar een felle lamp kijkt. Als er iemand voorlangs loopt, zie je de lamp kort even zwakker worden. Datzelfde gebeurt in de kosmos: wanneer een planeet precies voor haar ster langs beweegt, blokkeert zij een minuscuul deel van het sterlicht. Die tijdelijke afname in helderheid is zó klein dat we het met het blote oog nooit zouden merken, maar met gevoelige telescopen wel. Die methode heet transitiefotometrie of transitmethode. Het is vandaag de dag de meest succesvolle techniek om exoplaneten op te sporen en verantwoordelijk voor de ontdekking van duizenden werelden buiten ons zonnestelsel.
Het principe van een transit
Een transit vindt plaats wanneer een planeet gezien vanaf de Aarde voor haar ster langs schuift. Hierdoor neemt de gemeten helderheid van de ster een beetje af. Zodra de planeet weer verder draait, keert de ster terug naar haar normale helderheid. De afname in helderheid kan extreem klein zijn: voor een planeet zo groot als Jupiter bedraagt de daling ongeveer 1%, terwijl de Aarde voor de Zon slechts een afname van 0,008% zou veroorzaken. Dat is alsof je een fruitvliegje ziet oversteken voor een autokoplamp op kilometers afstand.
Hoe meten astronomen dit?
Astronomen gebruiken gevoelige fotometers, instrumenten die heel nauwkeurig licht kunnen meten, om sterren gedurende lange tijd continu te observeren. Als er zich regelmatig kleine “dipjes” in de lichtcurve voordoen, is de kans groot dat een planeet periodiek voor de ster langs beweegt. Door de timing en de diepte van die dippen te analyseren, kunnen wetenschappers verrassend veel leren:
- De grootte van de planeet: Hoe dieper de dip, hoe groter de planeet. De afname in helderheid is recht evenredig met het oppervlak van de planeet ten opzichte van de ster.
- De omlooptijd: Hoe vaak een dip terugkomt, vertelt hoe lang de planeet erover doet om één omloop rond de ster te maken.
- De baanhelling: Het feit dat we überhaupt een transit zien, betekent dat het baanvlak van de planeet vrijwel precies op onze gezichtslijn ligt.
Voordelen van transitiefotometrie
- Grote aantallen: Omdat een telescoop tegelijk duizenden sterren kan volgen, is de methode uitermate geschikt voor grootschalige surveys.
- Planeetstraal: Transitmetingen leveren direct de grootte van een planeet, iets wat andere methoden vaak niet kunnen.
- Atmosferen bestuderen: Tijdens een transit gaat een deel van het sterlicht door de planeetatmosfeer. Dat licht krijgt een spectrale vingerafdruk mee, waarmee men moleculen zoals waterdamp, methaan of kooldioxide kan detecteren.
Nadelen en beperkingen
- Kans op een transit is klein: Alleen als de planeet precies in de juiste baan staat, zien we een transit. Bij Aarde-achtige planeten rond zonachtige sterren is die kans slechts 0,5%.
- Valse positieven: Ook andere verschijnselen, zoals dubbelsterren of stervlekken, kunnen dipjes veroorzaken. Daarom zijn bevestigingen met andere methoden (radiale snelheid) nodig.
- Geen massa-informatie: De methode geeft straal, maar niet de massa van de planeet. Daarvoor is aanvulling met radial velocity of astrometrie noodzakelijk.
Een historisch voorbeeld: HD 209458 b
In 1999 werd de planeet HD 209458 b de eerste exoplaneet die met transitiefotometrie werd waargenomen. Ze was eerder ontdekt met de radiale snelheidsmethode, maar de transit bood extra informatie. Voor het eerst konden astronomen de straal van een exoplaneet meten, en in combinatie met de massa uit radiale snelheidsmetingen de dichtheid berekenen. Dit bleek een “hete Jupiter” te zijn, met een opgeblazen atmosfeer. Kort daarna kon men zelfs natrium en waterstof in die atmosfeer detecteren, een enorme doorbraak.
De kracht van samenwerking: straal + massa = dichtheid
Een van de grootste krachten van transitiefotometrie komt naar voren wanneer ze gecombineerd wordt met de radiale snelheidsmethode. Radiale snelheid geeft een minimale massa, transit geeft een straal. Samen levert dat de dichtheid. Een hoge dichtheid wijst op een rotsachtige samenstelling, vergelijkbaar met de Aarde. Een lage dichtheid suggereert een gas- of ijsplaneet. Op die manier leren we of een planeet een superaarde, een mini-Neptunus of een hete Jupiter is.
De Kepler-revolutie
De echte doorbraak van transitiefotometrie kwam met de lancering van de Kepler-ruimtetelescoop in 2009. Deze telescoop observeerde meer dan 150.000 sterren tegelijk en hield jarenlang nauwgezet hun helderheid in de gaten. De resultaten waren verbluffend: duizenden exoplaneten werden ontdekt. Kepler bewees dat planeten de regel zijn, geen uitzondering.
TESS en de toekomst
Sinds 2018 volgt NASA’s TESS-satelliet (Transiting Exoplanet Survey Satellite) Keplers werk op. Waar Kepler een klein deel van de hemel onderzocht, kijkt TESS naar bijna de hele hemel en focust op nabije, heldere sterren. Die zijn ideaal voor vervolgonderzoek met krachtige telescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST). De JWST kan met transit-spectroscopie atmosferen onderzoeken van planeten zo groot als de Aarde, op zoek naar moleculen die iets zeggen over hun leefbaarheid. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA bereidt ook twee belangrijke missies voor die voortbouwen op transitiefotometrie. PLATO (2026/2027) zal zich richten op aardachtige planeten rond zonachtige sterren, met als doel kandidaten voor bewoonbare werelden te vinden. ARIEL (2029) wordt dan weer de eerste missie die zich volledig richt op het bestuderen van exoplaneetatmosferen via transities. Samen zullen deze missies ons begrip van planetenstelsels naar een nieuw niveau tillen.
