Met een ‘luchtballon’ zal EXCITE naar de rand van de ruimte reizen en vanaf hier informatie verzamelen over raadselachtige hete Jupiters.
De ontdekking van een exoplaneet: we kijken er al bijna niet meer van op. Heel anders was dat zo’n dertig jaar geleden, toen astronomen op 22 januari 1992 bekend maakten dat ze voor het eerst enkele planeten buiten ons zonnestelsel hadden ontdekt. Ondertussen staat de teller alweer op 5000! Onderzoekers proberen met diverse telescopen deze werelden te karakteriseren en beter te begrijpen. Maar dat is nog niet zo gemakkelijk. Gelukkig kunnen we binnenkort rekenen op nieuwe hulp, zodra de veelbelovende EXCITE-missie (EXoplanet Climate Infrared TElescope) van start gaat.
Wat is EXCITE?
EXCITE is ontwikkeld om de atmosferen van exoplaneten (oftewel werelden buiten ons zonnestelsel) te bestuderen. “EXCITE kan ons een gedetailleerd driedimensionaal beeld geven van de atmosfeer en temperatuur van een planeet door gegevens te verzamelen terwijl de planeet zijn ster omcirkelt,” legt onderzoeksleider van de missie Peter Nagler uit. “Dit soort metingen zijn slechts enkele keren eerder uitgevoerd, omdat ze een uiterst stabiele telescoop vereisen die een planeet meerdere dagen lang kan volgen.”
Hete Jupiters
EXCITE richt zich niet op willekeurige exoplaneten, maar zal specifiek hete Jupiters bestuderen. Dit zijn enorme gasreuzen die hun baan in één tot twee dagen voltooien en temperaturen van duizenden graden bereiken (zie kader).
Hete Jupiters zijn enkele van de meest extreme planeten in het heelal. Het zijn massieve gasbollen die ongeveer net zo groot zijn als planeet Jupiter uit ons eigen zonnestelsel. Maar – in tegenstelling tot de ploeterende 12-jarige baan van Jupiter om onze zon – voltooien hete Jupiters in minder dan 10 dagen een rondje rond hun ster. Daarnaast zijn deze wereld ‘getijdengekoppeld’. Net als wij altijd dezelfde kant van de maan zien, heeft een hete Jupiter altijd dezelfde kant naar zijn ster gericht. Het betekent dat het op de ene kant van de planeet altijd dag is en op de andere kant permanent nacht. Daarnaast kan het op dit soort planeten aardig warm worden. De dagtemperaturen kunnen oplopen tot 2000 en 3000 graden Celsius. Tot op heden hebben wetenschappers ongeveer 400 hete Jupiters ontdekt. Hoe deze merkwaardige gasreuzen echter precies ontstaan, blijft een van de grootste onopgeloste mysteries in de planetaire wetenschap.
Omdat er nog zoveel onbekend is over hete Jupiters, zal EXCITE helpen deze mysteries te ontrafelen. De telescoop zal bijvoorbeeld bestuderen hoe de warmte zich over de planeet verspreidt, van de hete kant die naar de ster is gericht tot de koelere nachtzijde. Daarnaast zal EXCITE analyseren hoe moleculen in de atmosfeer van de planeet licht absorberen en uitstralen gedurende de hele omloopbaan. Dit proces kan niet alleen de aanwezigheid van stoffen zoals water, methaan en kooldioxide onthullen, maar ook laten zien hoe deze stoffen verspreid worden terwijl de planeet zijn ster omcirkelt.
Hubble en Spitzer
Het is overigens niet helemaal voor het eerst dat dergelijke gegevens zullen worden verzameld. In 2014 bijvoorbeeld, bestudeerden Hubble en Spitzer de exoplaneet WASP-43 b. Om gegevens te verzamelen over de 22 uur durende dag van deze planeet, waren 60 uur observatietijd met Hubble en 46 uur met Spitzer nodig. Dergelijke ‘tijdsintensievere’ studies zijn complex, omdat tijd op ruimte-observatoria beperkt is. Bovendien willen nog meer onderzoekers gebruik maken van deze telescopen en dus moeten dergelijke aanvragen concurreren met talloze andere onderzoeksverzoeken.
Twaalf dagen
Daarom is de komst van EXCITE zo waardevol. Deze missie zal zich volledig toeleggen op het verzamelen van gegevens over hete Jupiters die andere telescopen niet kunnen verkrijgen vanwege tijdsbeperkingen. “Tijdens zijn eerste wetenschappelijke vlucht zal EXCITE meer dan twaalf dagen in de lucht blijven, nadat het van de Columbia Scientific Balloon Facility in Antarctica zal zijn opgestegen,” vertelt lid van het EXCITE-team Kyle Helson. “Aan de pool zullen de sterren die we bestuderen niet ondergaan, waardoor onze observaties ongestoord kunnen doorgaan.”
Luchtballon
EXCITE zal naar de rand van de ruimte stijgen om vanaf hier gegevens te verzamelen. Hoe EXCITE hier zal arriveren? Met een soort ‘luchtballon’. EXCITE zal met een wetenschappelijke heliumballon tot ongeveer 40 kilometer hoogte komen, waardoor het boven 99,5 procent van de aardse atmosfeer uitkomt. Op deze hoogte kan de telescoop infraroodgolflengten detecteren met weinig verstoring.
Spectrometer
En dan? “De telescoop vangt het infrarode licht op en leidt het naar de spectrometer, waar het een soort obstakelparcours doorloopt,” vertelt Lee Bernard, lid van het EXCITE-team. “Het licht weerkaatst van spiegels en gaat door een prisma voordat het de detector bereikt. Alles moet uiterst precies worden uitgelijnd; zelfs enkele millimeters afwijking kunnen ervoor zorgen dat het licht niet aankomt.”
De spectrometer zit in een vat, een zogenaamde cryostaat, achter de telescoop. Deze cryostaat koelt de detector van de spectrometer – die eerder kandidaat was voor Webb’s NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) – af tot ongeveer minus 210 graden Celsius. Dit zorgt ervoor dat de detector kleine veranderingen in de intensiteit van infraroodlicht kan meten. De complete telescoop- en cryostaatopstelling staat op een basis in de vorm van een boot, waarmee hij langs drie assen kan draaien om een uiterst stabiele afstemming te behouden tot 50 milliboogseconden. Dit is vergelijkbaar met het nauwkeurig bekijken van een kwartje vanaf zo’n 105 kilometer afstand.
Met EXCITE hopen onderzoekers meer te ontdekken over hete Jupiters en de geheimen van exoplaneten verder te ontrafelen. Voordat EXCITE echter aan zijn spannende missie begint, moet hij eerst een testvlucht maken, waarbij hij zal opstijgen vanuit Fort Sumner in de Amerikaanse staat New Mexico. En als alles volgens plan verloopt, kunnen we ons verheugen op opwindende nieuwe ontdekkingen over de fascinerende werelden die EXCITE zal bestuderen.
