Waarnemingen met ESO’s Very Large Telescope (VLT) hebben, voor het eerst, de rotatiesnelheid van een exoplaneet opgeleverd. Gebleken is dat een dag op Bèta Pictoris b slechts acht uur duurt – veel korter dan de dagen op de planeten van ons zonnestelsel. De evenaar van de planeet beweegt met een snelheid van 100 000 kilometer per uur. Met dit nieuwe resultaat wordt het verband tussen massa en rotatie die in het zonnestelsel wordt gezien uitgebreid tot de exoplaneten.
Soortgelijke technieken zullen astronomen straks in staat stellen om exoplaneten met behulp van de European Extremely Large Telescope (E-ELT) gedetailleerd in kaart te brengen. Exoplaneet Bèta Pictoris b draait om de met het blote oog zichtbare ster Bèta Pictoris [1], [2], die op 63 lichtjaar van de aarde in het zuidelijke sterrenbeeld Pictor (Schilder) staat. Deze planeet werd bijna zes jaar geleden ontdekt en is als een van de eerste exoplaneten rechtstreeks in beeld gebracht. Hij draait op achtmaal de afstand aarde-zon om zijn moederster (eso1024) – geen enkele andere exoplaneet is op zo’n kleine afstand van zijn moederster gefotografeerd [3].
Met behulp van het CRIRES-instrument van de VLT heeft een team van Nederlandse astronomen van de Universiteit Leiden en het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek SRON nu ontdekt dat de equatoriale rotatiesnelheid van exoplaneet Bèta Pictoris b bijna 100.000 kilometer per uur bedraagt. Ter vergelijking: de evenaar van Jupiter heeft een snelheid van bijna 47.000 km/uur [4], en die van de aarde beweegt met nog geen 1700 km/uur [5]. Bèta Pictoris b is meer dan zestien keer zo groot en heeft drieduizend keer zo veel massa als de aarde. Desondanks duurt een dag op deze planeet maar acht uur.
‘Het is onbekend waarom de ene planeet sneller roteert dan de andere,’ zegt mede-auteur Remco de Kok, ‘maar deze eerste meting van de rotatie van een exoplaneet is in overeenstemming met de trend die we in ons zonnestelsel zien: de zwaardere planeten roteren sneller. Dit moet een universeel gevolg zijn van de manier waarop planeten ontstaan.’
Met een leeftijd van ongeveer 20 miljoen jaar is Bèta Pictoris b een heel jonge planeet (vergeleken met de 4,5 miljard jaar van de aarde) [6]. Naar verwachting zal de exoplaneet mettertijd afkoelen en krimpen, waardoor hij nog sneller gaat roteren [7]. Anderzijds bestaan er ook andere processen die de draaiing van de planeet kunnen beïnvloeden. Zo neemt de rotatiesnelheid van de aarde mettertijd af door de getijdeninteractie met onze maan.
De astronomen hebben gebruik gemaakt van hogedispersie-spectroscopie, een nauwkeurige techniek om het licht in zijn samenstellende kleuren (de verschillende golflengten in het spectrum) te ontleden. Veranderingen in golflengte ten gevolge van het zogeheten dopplereffect (ook wel dopplerverschuiving genoemd) stelde hen in staat om te detecteren dat de verschillende delen van de planeet met verschillende snelheden en in tegengestelde richtingen bewegen ten opzichte van de waarnemer. Door heel nauwkeurig voor de effecten van de veel helderdere moederster te corrigeren, is het hen gelukt om het rotatiesignaal van de planeet af te zonderen.
‘We hebben de golflengten van de straling die de planeet uitzendt tot op een duizendste procent nauwkeurig gemeten, wat de metingen gevoelig maakt voor de dopplereffecten die de snelheid van licht-uitzendende objecten kunnen openbaren,’ zegt hoofdauteur Ignas Snellen. ‘Met behulp van deze techniek hebben we ontdekt dat de verschillende delen van het planeetoppervlak met verschillende snelheden naar ons toe of van ons af bewegen, wat alleen maar kan betekenen dat de planeet om zijn as draait.’
Deze techniek is nauw verwant aan de dopplerbeeldtechniek die al tientallen jaren wordt gebruikt om de oppervlakken van sterren in kaart te brengen, en onlangs ook het oppervlak van een bruine dwerg [8] – Luhman 16B (eso1404). De snelle rotatie van Bèta Pictoris b betekent dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om een kaart van de planeet te maken, die mogelijke wolkenpatronen en grote stormgebieden laat zien.
‘Met de uitstekende resolutie van de E-ELT en een beeldvormende hogedispersie-spectrograaf kan deze techniek worden toegepast op een veel groter aantal exoplaneten. Met de geplande Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph (METIS) zullen we in staat zijn om zulke kaarten te maken van planeten die veel kleiner zijn dan Bèta Pictoris,’ zegt Bernhard Brandl, mede-auteur van het nieuwe artikel en principal investigator van METIS.
Noten
[1] Bèta Pictoris heeft nog vele andere namen, zoals HD 39060, SAO 234134 en HIP 27321.
[2] Bèta Pictoris is een van de best bekende voorbeelden van een ster die omgeven is door een stofrijke puinschijf. Deze schijf strekt zich uit tot een afstand van ongeveer duizend keer de afstand zon-aarde. Eerdere waarnemingen van de planeet van Bèta Pictoris zijn beschreven in eso0842, eso1024 en eso1408.
[3] Bij de waarnemingen is gebruik gemaakt van adaptieve optiek, een techniek die corrigeert voor de turbulenties in de aardatmosfeer, die zelfs op de beste astronomische locaties het telescoopbeeld vertroebelen. Dit stelt astronomen in staat om superscherpte opnamen te maken die bijna net zo goed zijn als opnamen vanuit de ruimte.
[4] Omdat Jupiter geen vast oppervlak heeft waaraan we de rotatiesnelheid van de planeet kunnen aflezen, hebben we de rotatiesnelheid van de atmosfeer aan zijn evenaar genomen. Deze bedraagt 47.000 km/uur.
[5] De rotatiesnelheid aan de evenaar van de aarde bedraagt 1674,4 km/uur.
[6] Eerdere metingen wezen erop dat het stelsel jonger was.
[7] Dit is een gevolg van het behoud van impulsmoment. Hetzelfde effect zorgt ervoor dat een ronddraaiende kunstschaatser sneller gaat draaier wanneer hij zijn armen intrekt.
[8] Bruine dwergen worden vaak ‘mislukte sterren’ genoemd, omdat zij – anders dan sterren zoals de zon – nooit heet genoeg worden om kernfusiereacties in gang te zetten.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Fast spin of a young extrasolar planet’, door I. Snellen et al., dat op 1 mei 2014 in het tijdschrift Nature verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit Ignas A.G. Snellen (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden), Remco J. de Kok (SRON Utrecht), Ernst J.W. de Mooij (Sterrewacht Leiden) en Simon Albrecht (Department of Physics en Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, VS; Sterrewacht Leiden)
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
