Hoewel het exoplanetenonderzoek de afgelopen decennia ontploft is, moeten astronomen dertig jaar na de ontdekking van de eerste exoplaneten toch concluderen dat er nog altijd veel is dat we níet weten.

De ontdekking van een exoplaneet: we kijken er al bijna niet meer van op. Heel anders was dat exact dertig jaar geleden, toen astronomen op 22 januari 1992 bekend maakten dat ze voor het eerst enkele planeten buiten ons zonnestelsel hadden ontdekt. “Dat was revolutionair,” stelt Michiel Min, astronoom en exoplanetenonderzoeker aan het Nederlandse Instituut voor ruimteonderzoek (SRON). “Tot die tijd kenden we alleen de planeten in ons eigen zonnestelsel. En er waren wel astronomen die vermoedden dat er ook planeten rond andere sterren cirkelden, maar zeker wisten we het niet.”

Planeten rond een dode ster
Tot 1992 dus. Want toen ontdekten de Poolse astronomen Aleksander Wolszczan en Maciej Konacki twee exoplaneten: PSR B1257+12 c (Poltergeist) en PSR B1257+12 d (Phobetor). “En dat waren direct redelijk bizarre exemplaren, want deze twee planeten cirkelen rond een pulsar, feitelijk een dode ster.” En daarmee waren die eerste planeten behoorlijk exotisch; het stelsel waar ze deel van uitmaakten – en waarin in 1994 nog een derde planeet werd ontdekt – leek in niets op ons oude, vertrouwde zonnestelsel.

Hete Jupiters zijn gasreuzen die heel dicht bij hun moederster staan en een heel korte omlooptijd kennen. Eind vorig jaar werd er nog één ontdekt die slechts 16 uur nodig heeft om een rondje om de moederster te voltooien. Deze planeet is 2,4 miljoen kilometer van zijn moederster verwijderd. Ter vergelijking: ‘onze’ Jupiter is 778 miljoen kilometer van de zon verwijderd en doet er 10 jaar over om één baantje om de zon te trekken. Afbeelding: NASA, ESA en G. Bacon.

Hete Jupiter
Iets vertrouwder was wat dat betreft de ontdekking van 51 Pegasi b, in 1995. “Dit was de eerste exoplaneet die rond een zonachtige ster werd aangetroffen.” Maar daar hielden de overeenkomsten met de planeten in ons zonnestelsel ook direct op, want zoiets als 51 Pegasi b hadden we nog nooit gezien. “De planeet heeft slechts vier dagen nodig om een rondje om de ster te trekken en heeft een massa die ongeveer vergelijkbaar is met de helft van de massa van Jupiter,” vertelt Min. Daarmee kan deze gerekend worden tot de hete Jupiters: gasreuzen die – in tegenstelling tot de gasreuzen die we uit ons eigen zonnestelsel kennen – heel dicht bij hun ster staan. “Niemand had het bestaan ervan verwacht, omdat we zoiets in ons eigen zonnestelsel niet kennen.”

Breed scala aan planeten
Die eerste, prille ontdekkingen doen vermoeden dat er meer is dan we afgaand op wat we in ons eigen zonnestelsel zien, voor mogelijk hadden gehouden. In de jaren die volgen, wordt die aanname ruimschoots bewezen. Er worden in enkele decennia tijd duizenden (kandidaat-)exoplaneten ontdekt. En daar zitten heel wat vreemde vogels tussen, zoals hete Jupiters bijvoorbeeld. Maar ook zogenoemde superaardes of mini-Neptunussen. “Men verwachtte wel dat er buiten ons zonnestelsel – net als daarbinnen – zowel grote als kleine planeten te vinden waren,” stelt Min. “Maar nu blijkt dat de superaarde de meest voorkomende maat planeet is. En die maat kennen we in ons eigen zonnestelsel opmerkelijk genoeg niet.” Behalve exotische planeten worden er echter ook exotische stelsels aangetroffen. “Bijvoorbeeld planeetsystemen die heel compact zijn en waar de moederster en planeten zich dus heel dicht bij elkaar bevinden.” Veruit het beroemdste voorbeeld daarvan is TRAPPIST-1, dat maar liefst 7 planeten telt en in zijn geheel binnen de baan van Mercurius past. “Het doet vermoeden dat de natuur alles wat kan, ook doet,” zo stelt Min als het gaat over het brede scala aan exoplaneten en planetaire stelsels dat tot op heden is ontdekt.

TRAPPIST-1 bezit zeven aardachtige planeten. Het complete stelsel past binnen de baan van Mercurius (de binnenste planeet in ons zonnestelsel) en is daarmee uiterst compact. Afbeeldingen: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC).

Heel veel planeten
Minstens zo opzienbarend als de ontdekking dat planeten er in meer soorten en maten zijn dan we ooit voor mogelijk hadden gehouden, is het feit dat er bijna overal waar we kijken wel exoplaneten worden ontdekt. “Dat was inderdaad verrassend,” stelt Min. “En inmiddels weten we dat er in ons Melkwegstelsel meer planeten dan sterren zijn. Dat is opmerkelijk en spannend. En het betekent dat je wanneer je naar een ster kijkt er bijna zeker van kunt zijn dat daar ook wel één of meer planeten omheen cirkelen.”

Ontploft
Het is ronduit fascinerend. En ook astronomen kunnen er sinds 1992 geen genoeg van krijgen. “Het exoplanetenonderzoek is echt ontploft. Het is een volwaardig vakgebied geworden, waar ontzettend veel geld in omgaat.” Zo bouwde NASA eerder deze eeuw voor een slordige 600 miljoen dollar de planetenjager Kepler, die tussen 2009 en 2018 duizenden (kandidaat-)planeten ontdekte en werd opgevolgd door de 200 miljoen dollar kostende TESS, die inmiddels rond nabije sterren ook alweer heel wat exoplaneten heeft aangetroffen. En waar de focus eerder lag op het ontdekken van exoplaneten verschuift die nu langzamerhand naar het nader onderzoeken daarvan. Zo werken zowel ESA als NASA aan ruimtetelescopen die speciaal ontwikkeld zijn om onderzoek te doen naar de omvang, samenstelling en atmosfeer van reeds ontdekte exoplaneten. “Het is een booming vakgebied.” En de komende decennia zal ons begrip van exoplaneten enorm vergroot worden, zo is de verwachting. “Als de 20e eeuw de eeuw van de kosmologie was, dan wordt dit de eeuw van de exoplaneet,” zo voorspelt Min.

Hier zie je de lichtcurve van een ster waar een planeet omheen cirkelt. Op het moment dat de planeet voor de moederster langs beweegt, ontstaat een dip in het sterlicht. Afbeelding: NASA Ames.

Dat er nog veel te ontdekken valt, staat vast. Want van de duizenden (kandidaat-)exoplaneten die tot op heden ontdekt zijn, weten we door de bank genomen bijster weinig. Hun bestaan wordt meestal afgeleid uit regelmatige dipjes in het licht van hun moederster, veroorzaakt doordat de planeten vanuit ons gezien voor die ster langs bewegen. Die dipjes in de lichtcurve onthullen naast het bestaan meestal ook de omlooptijd en omvang van de planeet en daarmee ook het type (rotsachtig of niet). En in het geval van hete Jupiters wil het nog wel eens lukken om tijdens zo’n overgang ook een atmosfeer te ontwaren waar het licht van de moederster doorheen sijpelt. En heel soms kunnen we dankzij dat door de atmosfeer gefilterde licht iets meer zeggen over de samenstelling van de dampkring van zo’n gasreus. Maar in de meeste gevallen blijft het toch bij een ietwat mysterieus dipje in een verder constante lichtcurve. En dat maakt eindeloos nieuwsgierig. Want wat gaan we tegenkomen als we die exoplaneten wat gedetailleerder gaan bekijken? Zullen we – net als in ons eigen zonnestelsel waar Mars weer heel anders is dan Venus en Mercurius onvergelijkbaar is met de aarde – tot de conclusie komen dat de ene rotsachtige planeet de andere niet is? Zullen we rond sommige planeten ringenstelsels ontwaren? Of exomanen? Er zijn nog veel vragen.

Buitenaards leven
En dat betekent dat er dertig jaar na de ontdekking van de eerste exoplaneten dus ook nog heel veel is om naar uit te zien. Of er nog ontdekkingen aan zitten te komen die minstens zo opzienbarend zijn als de ontdekking van die eerst exoplaneten? Ongetwijfeld, zo stelt Min. Hij denkt dan bijvoorbeeld aan de ontdekking van de eerste biomarkers. “Moleculen in de atmosfeer van exoplaneten die kunnen wijzen op biologische activiteit.” Oftewel: een aanwijzing voor buitenaards leven. Lang was dergelijk onderzoek een ver-van-ons-bed-show, maar dat is aan het veranderen. De in december gelanceerde James Webb Space Telescope zou al in staat moeten zijn om de atmosfeer van grotere planeten uit te pluizen. “En zijn opvolger – LUVOIR – zou dat ook voor aardachtige planeten moeten kunnen doen.” De verwachting is dat een dergelijke ruimtetelescoop daarbij specifiek op jacht zal gaan naar een verzameling moleculen die je van nature niet bij elkaar verwacht. “Als we kijken naar het leven hier op aarde, dan is dat eigenlijk continu bezig om het chemisch evenwicht te verstoren,” legt Min uit. Levende organismen halen immers gassen uit de atmosfeer (zoals CO2) en brengen andere gassen (zoals zuurstof) in de atmosfeer. En zo getuigt onze chemisch uit balans gebrachte dampkring van onze aanwezigheid. En het lijkt niet ondenkbaar dat ook de atmosfeer van exoplaneten op zo’n manier de aanwezigheid van levende wezens kan onthullen. “Astrobiologen zijn dan ook hard op zoek naar een goede indicator van chemische onbalans en dat onderzoek is heel veelbelovend.” Mochten er ergens aliens bezig zijn om hun atmosfeer chemisch overhoop te halen, dan is Min tamelijk optimistisch dat we de sporen daarvan ergens in de komende decennia toch wel gaan vinden.

“We hebben onze theorieën door de ontdekking van exoplaneten flink op de schop moeten nemen en nog steeds begrijpen we niet alles”

Zonnestelsel look-a-like
Dat zou revolutionair zijn. Maar er zijn als het om exoplanetenonderzoek gaat nog wel meer spectaculaire ontdekkingen denkbaar, zo benadrukt Min. “Zo zou het vinden van een kopie van het zonnestelsel – met kleine planeten in het binnenste en grote planeten aan de buitenrand – ook echt wel een ontdekking zijn waar ik warm van word. Ook met het oog op de zoektocht naar leven. Want aangenomen wordt dat voor het evenwicht op onze planeet Jupiter ook heel belangrijk is geweest. En als dat zo is, vereist het ontstaan van leven wellicht ook elders niet alleen een aardachtige planeet, maar ook de aanwezigheid van grotere planeten.” Daarnaast hoopt Min ook dat de enorme gaten die er sinds de ontdekking van de eerste exoplaneten in onze theorieën omtrent planeetvorming zijn gevallen, gaandeweg kunnen worden opgevuld. “We hebben onze theorieën door de ontdekking van exoplaneten flink op de schop moeten nemen en nog steeds begrijpen we niet alles.”

Veel van de exoplaneten die tot op heden ontdekt zijn, bevinden zich op grote afstand van de aarde. Maar zo af en toe wordt er ook wat dichter bij huis een exoplaneet ontdekt. De dichtstbijzijnde is Proxima Centauri b, op ongeveer 4 lichtjaar afstand en te zien op deze artistieke impressie. Afbeelding: ESO / M. Kornmesser.

Wat daarbij natuurlijk niet helpt, is dat we tot op heden nog steeds maar een fractie van de exoplaneten in onze Melkweg ontdekt hebben. En daarbij hebben we door de meestgebruikte detectietechniek – de transitmethode – ook nog eens te maken met een enorme blinde vlek, waardoor we op dit moment eigenlijk vooral de grote planeten met een korte omlooptijd gemakkelijk kunnen detecteren. “Bij de transitmethode jaag je op dipjes in het sterlicht, veroorzaakt door een planeet die voor de ster langs beweegt.” En om er zeker van te zijn dat het dipje in helderheid regelmatig optreedt en veroorzaakt wordt door een planeet, willen astronomen dat dipje eigenlijk minimaal drie keer zien. Bij hete Jupiters die in enkele dagen tijd om hun ster draaien, is dat geen probleem; daar hoef je maar kort de blik op te richten om ze drie keer voor de ster langs te zien bewegen. “Maar stel je een planeet voor die net als de aarde een jaar nodig heeft om een rondje om de moederster te draaien, om het bestaan daarvan aan te tonen, moet je drie jaar het licht van de moederster monitoren!” Daarnaast vereist de transitmethode dat de waarnemer (bijvoorbeeld een ruimtetelescoop), de te ontdekken planeet en moederster ongeveer op één lijn staan, want anders beweegt die planeet vanuit de waarnemer gezien niet voor de moederster langs. “Wat dat betreft, geldt dat hoe dichter een planeet bij de moederster staat, hoe groter de kans is dat wij deze voor de ster langs zien bewegen. De kans dat we een aardachtige planeet die net zo groot is als de onze en net zo ver van zijn moederster verwijderd is als de onze voor zijn moederster langs zien bewegen, is slechts 0,5 procent. Het betekent dat we voor elke aardachtige planeet die we nu ontdekken er zo’n 200 over het hoofd zien.” De hoop is dat verschillende van de planeten die we nu niet zien in de nabije toekomst met behulp van betere en geduldigere satellieten die langer naar sterren staren, toch ontdekt gaan worden. Maar ook als we over die instrumenten beschikken, kan het nog decennia duren voor we een representatief beeld hebben van de naar schatting 100 tot 400 miljard(!) exoplaneten die in onze Melkweg huizen.

Voor nu staat de teller op 4905 officieel ontdekte exoplaneten. Het leidt Min 30 jaar na de ontdekking van de eerste exoplaneten tot een ontnuchterende en tegelijkertijd opwindende conclusie. “Er is nog heel veel wat we niet gezien hebben.”