astronomie

De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF

De fotonzeef: een onvernietigbare telescoop

Ruimtetelescopen geven een loepzuiver beeld, maar ze kennen twee nadelen: ze zijn peperduur en erg gevoelig voor beschadiging. Fotonzeven kennen deze nadelen niet, de reden waarom de onderzoekspoot van het Amerikaanse leger, DARPA, grote belangstelling heeft…

Hoe werkt een fotonzeef?
Stel je voor: een in de ruimte zwevende extreem dunne plastic pannenkoek, waarin miljoenen kleine gaatjes zijn geboord. De gaatjes zijn zo gerangschikt (in concentrische ringen) dat het licht dat er doorheen schijnt, op een brandpunt wordt. Dat is in feite de basisopbouw van de fotonzeef. De fotonzeef werkt niet door refractie, zoals een spiegel, of afbuiging van licht in een medium zoals glas, maar door diffractie. Fotonen die door de gaatjes reizen, vormen door de uitgekiende rangschikking van de gaatjes een golffront dat is afgebogen richting het brandpunt. Vergeleken met traditionele lenzen bereiken maar weinig, rond een tiende, van de fotonen het brandpunt en er is alleen zwart-wit beeld beschikbaar, omdat de diffractie licht van verschillende golflengte (kleur) verschillend sterk afbuigt. De fotonzeef is volkomen plat; er zijn zelfs experimenten gedaan met het maken van foto’s door middel van een op een transparant materiaal geprinte lens.

De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF
De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF

Goedkoop en opvouwbaar
Waar een ruimtetelescoop als de Hubble al gauw enkele miljarden euro’s kost, kunnen fotonzeven, weanneer in massa geproduceerd, voor een honderdduizendste van dat bedrag geproduceerd en gelanceerd worden. Het voornaamste voordeel van de fotonzeef is dan ook de extreem lage prijs. Ook kunnen fotonzeven makkelijk opgerold worden en zonder problemen elke denkbare grootte meekrijgen. Voor een experiment stuurt Geoff Anderson, onderzoeker in opleiding aan de US Airforce Academy in Colorado Springs, Colorado, nu een als een koffiefilter opgevouwen pannenkoek mee met een 3U CubeSat, een goedkoop dwergsatellietje met een inhoud van ongeveer drie liter. De twintig centimeter doorsnede fotonzeef is voorzien van maar liefst 2,5 miljard gaatjes. Als eerste project wil Anderson een foto maken van de zon.

Spionagetelescoop van 20 m
DARPA denkt verder na over dit soort telescopen, sinds de Chinezen er in 2007 in slaagden met een anti-satellietraket een testsatelliet te vernietigen. Dit deed de Amerikanen realiseren dat  hun dure spionagetelescopen weliswaar glashelder beeld geven, maar ook gemakkelijk uit te schakelen zijn door een vijandige ruimtemacht. Omdat fotonzeven goedkoop in serie te produceren zijn – er wordt een vergelijkbare etstechniek gebruikt die ook voor computerchips wordt geproduceerd – zou een grote vloot aan ruimtetelescopen kunnen worden gelanceerd die nauwelijks uit te schakelen zijn.

DARPA werkt nu aan een 20 m grote telescoop. Hiermee moeten objecten kleiner dan een meter op het aardoppervlak zichtbaar worden.

Ook burgerastronomen verwelkomen de fotonzeef. Waarnemingstijd op de dure ruimtetelescopen is zeer schaars en gewild. Een goedkoop alternatief is dan ook zeer gewild. Een grote vloot zwevende pannenkoeken zou dan ook gebnruikt kunnen worden om bijvoorbeeld op de aarde lijkende exoplaneten op te sporen. Wel zou het beeld van deze exoplaneten uit slechts enkele pixels bestaan en dus niet echt spectaculair zijn. Een betere, dure telescoop kan dan later gericht de exoplaneet bestuderen.

Bron
Geoff Anderson et al., Photon Sieve Space Telescope, USAFA (2012)

Een Y-dwerg, de koudste dwerg denkbaar. bron: Wikipedia

‘Honderdduizend zwerfplaneten per ster in Melkweg’

Niet alleen bevinden zich in de Melkweg tweehonderd miljard sterren, per ster zijn er naar schatting ook tienduizenden malen zoveel hemellichamen, variërend van forse Jupiter-achtige planeten tot objecten iets kleiner dan Pluto, stellen vier astronomen in een preprint. Zou het leven hier ontstaan zijn?

Leven op zwerfplaneet?
Tot voor kort werd gedacht dat leven alleen op aardachtige planeten voor zou kunnen komen. Alleen op een planeet met aardachtige temperaturen kan er immers vloeibaar water bestaan en hiermee leven. De laatste decennia zijn er echter een aantal baanbrekende ontdekkingen gedaan van bacteriën die het op “onmogelijk” geachte plaatsen prima uithouden. Zo zijn er bacteriën die gedijen in oververhit kokend water in vulkanische bronnen in de diepzee, rotsbewonende bacteriën, eencelligen die in een extreem zuur milieu overleven, arsenicumbacteriën en (bacterieachtige) archaeae die ver onder nul nog groeien. Veel van deze omstandigheden komen ook op andere planeten dan de aarde voor. Een grote zwerfplaneet met veel radioactief materiaal in de kern, kan voor vele miljarden jaren warm blijven onder een dikke ijslaag en hiermee diep onder het ijs een gastvrije plek bieden voor eenvoudige levensvormen.

Een Y-dwerg, de koudste dwerg denkbaar. bron: Wikipedia
Een Y-dwerg, de kleinste en koudste ster denkbaar. Deze bruine dwergen zijn zwaarder dan 13 Jupitermassa’s. Bron: Wikipedia

Hoeveel zwervende objecten zijn er in de Melkweg?
De Melkweg houdt ontelbare objecten in haar immense zwaartekrachtsveld gevangen. Deze variëren in grootte van reuzensterren tot subatomaire deeltjes.
Sterren geven licht en zijn hiermee het eenvoudigst te vinden. Door de sterren in onze directe omgeving te tellen en hun absolute helderheid te berekenen, kunnen astronomen een globale schatting maken van hoeveel sterren er in totaal in onze Melkweg zijn. Dit getal ligt rond de tweehonderd tot vierhonderd miljard. De meeste van deze sterren behoren tot de kleinste soort: rode dwergen.

Onzichtbare zwerfplaneten vinden
Hemellichamen onder een twintigste zonsmassa zijn niet zwaar genoeg om waterstof te fuseren en zenden alleen nog zwakke straling uit, afkomstig van de fusie van deuterium. Deze zogeheten bruine dwergen, zijn de koelste sterren bekend met temperaturen tot soms onder de dertig graden. Onder de dertien Jupitermassa’s stopt ook de fusie van deuterium. Nu spreken we van gasreuzen. Gasreuzen en kleiner zijn alleen waar te nemen door het licht dat ze weerkaatsen, hun zwaartekrachtsinvloed of door sterbedekkingen. Om die reden zijn er alleen exoplaneten gevonden rond sterren. Wel vinden er voortdurend raadselachtige sterbedekkingen plaats. Klaarblijkelijk bevinden er zich in het heelal talloze zwervende objecten die geregeld voor sterren langs trekken.

Hergebruik van Kepler-data
De astronomen Louis E. Strigari, Matteo Barnabè, Philip J. Marshall, Roger D. Blandford stellen voor hiervoor de data van de Keplersatelliet te gebruiken. Kepler neemt honderdduizenden sterren tegelijk waar en probeert zo sterren met planeten op te sporen. Als een planeet periodiek rond een ster beweegt, precies tussen de satelliet en de ster, vindt er een geregelde sterbedekking plaats. Echter: Kepler neemt ook zeer vele onregelmatige sterbedekkingen waar, die dus niet aan een exoplaneet zijn te koppelen. Om ook zeer snel bewegende zwerfobjecten te ontdekken, is een satelliet nodig die ook zeer kort durende sterbedekkingen waar kan nemen. Aan de hand van de snelheidsverdeling en frequentie van sterbedekkingen kan vervolgens een ruwe schatting worden gemaakt van hoeveel zwervende objecten er zich tussen de sterren bevinden. De voorlopige schatting van de astronomen: enkele tienduizenden per optisch waarneembare ster. Kortom: er is nog heel veel te ontdekken.

Bron:
Louis E. Strigari et al., Nomads of the Galaxy, ArXiv (2012)

Het planetenstelsel van KOI-961 is vergelijkbaar met de manen van Jupiter. Bron: NASA

Rode dwergen wemelen van rotsachtige exoplaneten

De kleinste exoplaneet die rond een ster in de Hoofdreeks (dus niet uitgebrand of in een instabiele fase) is aangetroffen is een rotsachtige planeet bij een rode dwergster, iets groter dan Mars. Volgens schattingen heeft rond een derde van alle rode dwergen, waartoe meer dan driekwart van alle sterren worden gerekend, aardachtige planeten. Wanneer vinden we de eerste planeet met leven?

Het planetenstelsel van KOI-961 is vergelijkbaar met de manen van Jupiter. Bron: NASA
Het planetenstelsel van KOI-961 is vergelijkbaar met de manen van Jupiter. Bron: NASA

De nieuw-ontdekte planeet, KOI-961.03, bedekt op geregelde tijden zijn ster, waardoor de helderheid hiervan periodiek een zeer kleine fractie afneemt. Dit is toch voldoende om door de NASA’s Kepler ruimtetelescoop waargenomen te worden.

De rode-dwergster KOI-961 is vergeleken met de zon zeer klein, maar blijkt er toch een zonnestelsel van zeker drie rotsachtige planeten op na te houden: naast KOI-961.03, ook de rotsplaneten KOI-961.01 and KOI-961.02.

Buiten adem op vijf kilometer hoogte
De onderzoekers combineerden de data van Kepler met waarnemingen van de reusachtige Keck Telescoop op de vijf kilometer hoge vulkaan Mauna Kea op het Hawaiiaanse eiland Oahu. De zeer ijle lucht op die enorme hoogte maakt werken (en nadenken) voor astronomen zwaar. Vaak schrijven ze van tevoren op wat ze moeten doen voor ze de tocht naar boven maken (al zijn er tegenwoordig uiteraard opties voor telewerken).
Toch staat de Keck niet voor niets op Mauna Kea. Deze plek levert een zeer goede ‘seeing’ (helder beeld) omdat de top al voorbij de helft van de troposfeer, het dichtste en woeligste deel van de atmosfeer, reikt.

Met behulp van deze tien meter doorsnee telescoop stelden ze de exacte afmeting van de ster vast. Er bestaat namelijk een vaste relatie tussen de grootte, de lichtkracht en de massa van een ster. Doordat Kepler exact vaststelt met hoeveel het sterrenlicht af wordt gezwakt, is de relatieve grootte van het planeetschijfje vrij makkelijk te berekenen.

KOI-961.03 is de kleinste waargenomen planeet met 0,57 maal de doorsnede van de aarde, plm. 8% groter dan Mars. De andere planeten KOI-961.02 en KOI-961.01 zitten met resp. 0,73 en 0,78 maal de grootte van de aarde, tussen Mars en de aarde in.

Al veel kleinere planeet rond pulsar ontdekt
Zowel KOI-961.02 als KOI-961.03 zijn kleiner dan welke andere exoplaneet ook die tot dusver is ontdekt rond een ster in de Hoofdreeks. Een veel kleinere planeet, ongeveer twee procent van de massa van de aarde, de grootte van de maan dus, is ontdekt rond een pulsar.

Een pulsar, een dode ster, samengeklapt tot een bol neutronen van twintig tot dertig kilometer doorsnede, biedt met zijn extreem sterke magneetveld en dodelijke röntgenstraling bepaald niet een gastvrije omgeving voor leven, maar het is heel makkelijk planeten rond pulsars te vinden omdat ze zeer regelmatige signalen geven. Zelfs een minuscuul planeetje verstoort de pulsarklok al meetbaar.
We beschreven al eerder de eerste ontdekking van een exoplaneet kleiner dan de aarde. De daaropvolgende dag ging ook dit record aan diggelen, met dus nu het voorlopige kleinheidsrecord. Al deze ontdekkingen zijn mogelijk gemaakt door Kepler.

Vermoedelijk ziet het KOI-961 stelsel er ongeveer zo uit.
Vermoedelijk ziet het KOI-961 stelsel er ongeveer zo uit. Bron: NASA

Exo-zonnestelsel vergelijkbaar met Jupiterstelsel
Dit nieuw-ontdekte systeem is ook het kleinste zonnestelsel ooit aangetroffen. De planeten bevinden zich alle minder dan vier maal zo ver van de ster (1,5 miljoen km) als de maan van de aarde. Vergelijkbaar met de afstanden van de manen van Jupiter tot de reuzenplaneet.  Ter vergelijking: als de aarde op die afstand van de zon stond, zou de zon een kwart van de hemel in beslag nemen, de aarde in magma veranderen en zou de aarde door de getijdeneffecten in stukken getrokken worden.
Weliswaar is KOI 561 veel kleiner dan de zon, maar de leefomstandigheden op het drietal planeten zijn verre van aangenaam, tenzij je bijvoorbeeld een op silicium gebaseerde levensvorm bent: zelfs op de verste, kleine planeet heersen helse temperaturen van 200 graden. Een ‘jaar’ duurt korter dan twee dagen. 

‘Melkweg krioelt van kleine rotsplaneten’
Goed nieuws voor de velen van ons die dromen van een lieflijke exo-aarde voor onszelf. Dit komt namelijk bij de steeds groeiende berg bewijzen dat kleine rotsplaneten zeer veel voorkomen rond rode dwergen, die ongeveer tachtig procent van alel sterren in de Melkweg uitmaken.  Slechts enkele tientallen van de 150 000 sterren die Kepler tegelijkertijd in de gaten houdt zijn zo klein als KOI-961. Omdat het uiterst toevallig is dat een planeet precies voor een ster langstrekt, betekent deze ontdekking volgens onderzoekers dat minstens een derde van deze kleinste rode dwergen een planetenstelsel heeft. Teamlid John Johnson vergeleek ze daarom met kakkerlakken, waarvan je er maar enkele ziet, maar zich een veelvoud verstopt.

Waarom hebben we nog geen rotsplaneten in de bewoonbare zone aangetroffen?
Hoe verder een planeet van een ster afstaat, hoe kleiner de kans dat de planeet precies voor de ster langs trekt. Ook kijkt Kepler nog relatief kort naar de groep sterren. Stel dat een planeet een omloopbaan van een maand of een half jaar heeft, dan vallen niet minimaal twee bedekkingen in het waarnemingsvenster en wordt geen hit gescoord. De tot nu toe ontdekte exoplaneten zijn om die reden vrijwel allemaal geblakerde rotsblokken. Bij KOI-961 moet een planeet bijvoorbeeld drie tot zes miljoen kilometer van de ster staan om leven zoals wij dat kennen mogelijk te maken. Levensvormen op een dergelijke planeet zouden een enorme, dofrode zon zien en elke nacht andere sterrenbeelden. Misschien dat we domweg meer geduld moeten hebben tot Kepler deze planeten vindt.

Bronnen
NASA: ‘Honey, I shrunk the planetary system’
NASA: KOI-961, a mini planetary system

Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.

Supergeleidende snaren eindelijk rechtstreeks op te sporen

Volgens sommige kosmologische theorieën zouden ze overal om ons heen moeten zijn: weeffouten in ruimtetijd, die zich manifesteren als een supergeleidende snaar. Drie natuurkundigen hebben nu een manier gevonden om ze op te sporen.

Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.
Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.

Wat zijn kosmische snaren?
Begin oktober 2011 is een artikel gepubliceerd, waarin de ontdekking van massieve slierten donkere materie tussen sterrenstelsels werd aangekondigd. Nog steeds is het een groot raadsel waar deze donkere materie uit bestaat. Dit terwijl er vier keer zoveel donkere materie is al normale materie. Een meer exotische kandidaat voor donkere materie, althans een deeltje ervan, zijn kosmische snaren: enorme in zichzelf gesloten lussen, die overblijfselen zijn van het inflatietijdperk waarin het heelal – volgens de gevestigde kosmologische theorieën dan – exponentieel uitzette. De snaren zijn extreem dun – minder dan een proton dik. Waarschijnlijk zou de snaar dus door je hand heen kunnen bewegen zonder dat je het merkt. Wel is de dichtheid van deze snaren extreem hoog. Een meter zware kosmische snaar heeft een massa vergelijkbaar met die van de aarde. Met je hand zou het dus door de enorme zwaartekracht alsnog zeer akelig aflopen.

Maar… bestaan ze wel?
Zoals met zoveel dingen op het grensgebied van wetenschap en speculatie is het bestaan van deze snaren nog steeds niet aangetoond of verworpen. Volgens de theorie moet er in het zichtbare heelal minimaal één reuzensnaar voorkomen.

Deze snaren – als ze bestaan – beloven een aantal bizarre eigenschappen te hebben. Zo zouden ze onder bepaalde omstandigheden een tijdmachine mogelijk kunnen maken.Ze vormen een zeer dunne buis waarin een stuk heelal van voor de uitzetting is opgesloten. Kosmische snaren zijn waar te nemen omdat ze het licht om zich heen afbuigen. Rond de snaren raakt ruimtetijd vervormd, waardoor objecten die er in de buurt staan dubbel lijken te zijn [2]. Bewijzen voor hun bestaan ontbreken tot nu toe nog, maar wel zijn er enkele raadselachtige waarnemingen gedaan die volgens astronoom Rudolph Schild het beste zijn te verklaren door aan te nemen dat er een kosmische snaar langs trok[3]. Er is welgeteld één andere manier bekend om vast te stellen of ze bestaan: zwaartekrachtsgolven. Bij elke trilling van een dergelijk extreem massief object komen die vrij, aldus de algemene relativiteitstheorie. Ook zouden kosmische snaren door dit effect snel uit elkaar vallen, want ook zwaartekrachtsgolven bevatten energie. Helaas zijn de extreem dure zwaartekrachtsdetectoren LISA en LIGO nog niet gelanceerd. De oorlog in Irak, die ongeveer honderd maal zoveel kostte, was belangrijker.
Of kosmische snaren weer het zoveelste woeste bedenksel van kosmologen zijn of werkelijk fysische realiteit zijn, is dus nog steeds niet uitgemaakt.

Snaren waarnemen door radiostraling
Een drietal natuurkundigen heeft nu een goedkopere manier bedacht om op snarenjacht te gaan[4]. De snaren zijn namelijk volgens de meeste theorieën supergeleidend en, zoals bekend, als je een geleider snel heen en weer beweegt in een magnetisch veld, ontstaat er stroom. Een wisselende stroom wekt dan weer radiostraling op. Vooral zogeheten cusps, knikpunten, in de snaar, moeten hierdoor een rijke bron van  radiostraling vormen die zonder problemen op aarde te ontvangen is. En radiotelescopen zijn er op aarde te over. De meeste radiostraling wordt volgens het drietal afgegeven in zeer lange golflengtes. Immers, de snaren zijn vele lichtjaren lang. Echter: er komt zo veel energie vrij door de trillingen, dat ook boventonen nog duidelijk waar te nemen zijn en dat er vanaf de aarde geregeld radio-uitbarstingen met een zeer karakteristiek verloop waar te nemen moeten zijn.

Zouden kosmische snaren inderdaad bestaan, dan zijn de toepassingen zeer boeiend. Ze zouden als energiebron gebruikt kunnen worden of misschien zelfs wel als transportmethode. Want een scheur in ruimtetijd biedt een aantal zeer interessante mogelijkheden. Aan de andere kant is het maar gelukkig dat kosmische snaren – als ze al bestaan – uitermate zeldzaam zijn.  Want met de aarde loopt het waarschijnlijk akelig af als er een extreem zware snaar door ons zonnestelsel heen vliegt.

Bronnen
1. Koichi Miyamoto et al., Cosmological effects of decaying cosmic string loops with TeV-scale width, presentatie (2011)
2. Smoot et al., The Search for Cosmic Strings (Poster)
3. String revival, Scientific American (2005)
4. Yi Fu Cai et al., Radio bursts from superconducting strings, ArXiv (2011)

Exoplaneten gefotografeerd

Ongelofelijk maar waar: van meerdere exoplaneten zijn opnamen bekend. Een overzicht van de eerste beelden van werelden voorbij het zonnestelsel.

Iets dat zichtbaar is op vele lichtjaren afstand moet enorm zijn. Uiteraard gaat het dus om exoplaneten die meer van een gasreus dan de aarde hebben en vaak ver van de bijbehorende ster staan, zodat ze niet overstraald worden. Erg veel op de aarde lijken ze dus niet. Toch is de gedachte boeiend dat we al een blik hebben kunnen werpen op een wereld die om een andere ster draait dan de zon. Klik op de afbeeldingen voor een vergroting.

Brown Dwarf and Child

De heldere vlek is niet een ster, maar een bruine dwerg. Astronomen vragen zich ook af of het rode object wel een bonafide planeet is. Waarschijnlijk is het een ultrazwakke dubbelster, bestaande uit twee mislukte sterren op 172 lichtjaar afstand. Bron: ESO/VLT

 

Far Out Planet

De planeet (het lichtpuntje linksboven) draait om een jonge zonachtige ster met de poëtische naam IRXS J160929.1-210524, op 470 lichtjaar afstand. De planeet is acht keer zo zwaar als Jupiter en staat 330 AE, dat is 330 maal zover van de ster als de aarde van de zon af staat. Dat is acht keer verder dan Pluto. Bestaande modellen voor planeetvorming kunnen niet verklaren hoe zo ver van de ster toch zoveel materie kon samenklonteren. Misschien is de planeet weggeslingerd, het trieste overblijfsel van een kaalgeplukte ster of een ingevangen zwerfplaneet. Opmerkelijk feit: er is waterdamp aangetoond in de atmosfeer van deze verre gasreus, al is de planeet te ver van zijn zon voor aardachtig leven.

Planetary Family

Drie exo-zwaargewichten
De drie puntjes draaien om de (hier afgeschermde) centrale ster. Het drietal super-gasreuzen (5-7 maal de massa van Jupiter) werd ontdekt met de Keck en Gemini North reuzentelescopen op de vulkaan Mauna Kea op Hawaii. De drie planeten staan op een ijzige 25, 40 en 70 AE van de jonge zonachtige ster HR 8799 op 129 lichtjaar afstand. Dat is vergelijkbaar met de asteroïdengordel, Jupiter en Saturnus. Andere telescopen hebben deze waarnemingen bevestigd en de beweging van de exoplaneten in hun baan is sindsdien bevestigd. In de loop der jaren kruipen de planeten voort.

 

Family of Four

Vierde zwaargewicht ontdekt

Onderzoekers ontdekten tot hun verrassing dat bovenstaande drie planeten nog een vierde broertje had van ongeveer zeven maal de massa van Jupiter en ongeveer 14,5 AE. Ondertussen weten we uit hun lichtspectrum dat de werelden rijk zijn aan koolmonoxide (een dodelijk gas) en arm aan methaan. Vermoedelijk ontstonden ze door kometen op te slokken.

Foto:  NRC-HIA, Christian Marois, and the W.M. Keck Observatory

 

A Controversial Case

Exoplaneet of niet?

Op dezelfde dag dat het bestaan van de drie HR 8799 planeten werd bekend gemaakt, onthulden andere onderzoekers de ontdekking van een kleinere planeet, drie maal Jupiter, die door de stofschijf van de ster-in-wording Fomalhaut reist. Fomalhaut is al sinds de oudheid bekend en staat op ongeveer 25 lichtjaar afstand van ons af. Aan het bestaan wordt echter sindsdien getwijfeld, want geen enkele andere telescoop dan Hubble heeft het vlekje waargenomen. De Hubble telescoop kan de waarneming helaas niet overdoen: het instrument in kwestie is nu kapot. De ontdekkers melden nieuwe waarnemingen, maar er is iets vreemds aan de hand. Het object heeft zijn cirkelvormige baan verlaten. Een tijdelijk verschijnsel in de stofschijf, zoals bijvoorbeeld de Grote Rode Vlek, of een ster op de achtergrond? De verongelijkte ontdekkers denken dat hun planeet tijdelijk versluierd was door de stofschijf.

Beeld: NASA, ESA and P. Kalas (University of California, Berkeley, USA

 

Inner Planet

Binnenplaneet

Een andere veel bestudeerde planeet draait om Beta Pictoris: een zonachtige ster op 63 lichtjaar afstand. De planeet is acht maal zwaarder dan Jupiter en draait om de zon op slechts 8 AE, de afstand van Saturnus tot de zon. De planeet lijkt ongebruikelijk groot in doorsnede. Zou hij omringd worden door een ring, zoals Saturnus zelf?

Afbeelding: ESO/VLT

 

Going around
Kosmische stofzuigerOmdat de planeet van Beta Pictoris veel dichter bij zijn ster staat dan de andere planeten, konden astronomen deze exoplaneet op veel plaatsen van zijn omloopbaan waarnemen, o.a. in 2003 en 2009. Onderzoekers veronderstellen een ‘jaar’ van 15 aardse jaren. Heel opvallend is de stofvrije zone rond de planeet. Astronomen denken daarom dat de planeet alle stof en gas in zijn omgeving opgeslokt heeft. Waarschijnlijk hebben in ons zonnestelsel vergelijkbare processen plaatsgevonden.

Afbeelding: ESO/VLT

Zouden we met een enorme telescoop in een maankrater waar eeuwige duisternis heerst, niet nog veel meer exoplaneten kunnen waarnemen? In principe kan het, als de collector mirror van de telescoop maar groot genoeg is en de optische precisie groot genoeg.

Bron:
Wired

Zo vind je leven op een exoplaneet

Aan het licht dat een exoplaneet uitzendt kan je zien of de exoplaneet leven bevat of niet. Hoe? Check deze poster.

De mensen van New Scientist hebben een poster samengesteld met daarop de belangrijkste signalen waarmee is vast te stellen of een exoplaneet leven bevat. Het zwakke licht van een verre exoplaneet analyseren klinkt nu nog als science fiction, maar is in enkele gevallen al gelukt. Uit dit licht is af te leiden welke gassen in de atmosfeer voorkomen. Astronomen zijn al druk aan het speculeren over welke moleculen een teken van leven zijn en welke juist een teken dat er geen leven is. Welke tekens? Klik op de afbeelding voor een vergroting. Pas op: grote afbeelding.

Lees ook:
Bomen waarnemen op exoplaneet en
Universele chemische handtekening leven ontdekt

Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.

Bevestigd: kosmologisch principe klopt niet; Universum niet volmaakt rond

Een van de fundamenten van de moderne astrofysica is het kosmologische principe: het denkbeeld dat waarnemers op aarde ongeveer hetzelfde op grote schaal waarnemen als waarnemers op andere plekken in het universum. Inderdaad zijn er veel waarnemingen die dit idee ondersteunen Zo ziet het heelal er min of meer hetzelfde uit in alle richtingen, hoe we ook kijken. Maar misschien keken we helemaal niet goed, althans: stelden we niet de juiste vragen, blijkt nu.

Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.
Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.

Supernova als kosmische meetkaars
De laatste jaren, nu er meer en scherpere waarnemingen binnenkomen dan ooit tevoren, komen er scheurtjes in dit beeld. Al eerder schreven we we over.  Sommige kosmologen wijzen op het gedrag van type 1a supernova’s, ontploffende witte dwergsterren (wat weer witgloeiende, uitgebrande resten van sterren zijn, zo groot als de aarde maar met de massa van een ster).

Bij nova’s lekt er een kleinere hoeveelheid waterstofgas van een buurster op een witte dwerg, tot de kritische waarde bereikt is voor kernfusie van helium en er een enorme explosie komt: de heliumflits, die de nova oplevert. Bij een supernova type 1a ontploft niet alleen de gasschil, maar de complete witte dwergster in een allesverwoestende thermonucleaire ontploffing, een waterstofbom zo groot als een kleine ster. Vergeet niet: alles wat lichter is dan ijzer kan nog fuseren en een witte dwergster bestaat uit zuurstof en magnesium. En dat gebeurt dan ook als de grens overschreden wordt. In een paar seconden. Geloof me, dan wil je echt op heel veilige afstand zitten, honderden lichtjaren tenminste. Of je moet kicken op bruine smog en regens van salpeterzuur. Deze ontploffingen zijn zo fel dat de complete ster verdampt. Gedurende enige tijd wordt de complete melkweg waar ze deel van uitmaken overstraald en zijn dus erg bruikbaar om afstandsbepalingen te doen. Gelukkig zijn deze ontploffingen nu heel zeldzaam, maar miljarden jaren geleden kwamen ze veel vaker voor.

Heelal zet onregelmatig uit
Deze verre explosies lijken niet alleen van ons af te bewegen, maar zelfs steeds sneller van elkaar af te bewegen. Het opvallende is dat deze versnelling niet in alle richtingen gelijk is, maar in sommige richtingen veel sneller gaat dan in andere. Van ons beeld van een mooi symmetrisch heelal blijft dus steeds minder over. Maar klopt de statistische analyse wel? Al eerder is bij heel veel wetenschappelijke takken van sport gebleken dat bij een grotere steekproef ‘significante’ effecten als sneeuw voor de zon verdwijnen. Denk aan het Higgsdeeltje waar steeds sporen van op zouden duiken waar achteraf niets van blijkt te kloppen. Daarom hebben Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo van het Key Laboratory of Frontiers in Theoretical Physics van de Chinese Academy of Sciences in Beijing de data van 557 supernovae door het hele universum heronderzocht en de getallen door een programma gehaald.

Nu eindelijk hard bewijs
Deze keer klopt de statistiek wel. Er is inderdaad een eenduidig resultaat. Het heelal blijkt in een bepaalde richting veel meer uit te zetten dan in andere richtingen. De uitzetting in het snelst richting in het sterrenbeeld Vulpecula (Vos) op het noordelijk halfrond. Dit komt overeen met andere analyses, waaruit al eerder bleek dat het heelal een voorkeursas heeft in de kosmische achtergrondstraling. Als het heelal in een bepaalde richting meer uitzet, zal het in die richting ‘koeler’ lijken. Kortom: het kosmologisch principe, en daarmee heel wat kosmologische  theorietjes over een symmetrisch heelal en een scalair uitzettingsveld kunnen nu op de schroothoop of moeten drastisch herzien worden.

En er komt een spannende uitdaging te liggen. Waarom heeft het Universum een uitzettingsas en hoe modelleren we dat? Een pittige klus. Wat zijn jullie ideeën?

Bronnen:
Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo, Direction Dependence Of The Acceleration In Type Ia Supernovae, ArXiv (2011)

De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?

Aarde verwijdert zich van de zon: waarom?

Naar schatting verwijdert de aarde zich ieder jaar zo’n 15 cm van de zon. Waarom? Een kosmisch raadsel dicht bij. Onderzoekers staan voor een raadsel. Tot nu toe. Tahako Miura heeft mogelijk de oplossing gevonden.

De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?
De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?

Aarde en zon drijven uit elkaar
Al duizenden jaren proberen astronomen in te schatten hoe ver de zon van de aarde staat. Zo was er bijvoorbeeld de Griekse natuurkundige en astronoom Aristarchos van Samos die in de derde eeuw voor Christus leefde. Hij schatte dat de zon twintig keer verder van de aarde stond dan de maan. In werkelijkheid staat de zon op 150 miljoen km van de aarde, dat is vierhonderd keer verder dan de maan.

Nu beschikken we, anders dan de arme Aristarchos die het met waterklokken, zonnewijzers en meetstokken moest doen, over zeer nauwkeurige meetapparatuur. Met behulp van radarmetingen aan verschillende hemellichamen in het zonnestelsel en het nauwkeurig tracken van interplanetaire ruimtesondes, is de afstand aarde-zon zeer nauwkeurig bekend. Op dit moment (2011) is de waarde vastgesteld op 149 597 870,696 km. Twee Russische onderzoekers, Gregoriy A. Krasinsky en Victor A. Brumberg, berekenden in 2004 dat de zon en aarde ongeveer 15 cm per jaar uit elkaar drijven. Over vijf miljard jaar, als de zon een verschroeiende rode reus wordt, zou de aarde dus ongeveer een half procent verder weg staan. We kunnen de aarde tegen die tijd dus beter een handje helpen.

Oorzaak: tot nu toe onbekend
Dit is honderd keer meer dan de meetfout, dus deze uitkomst berust niet op toeval. Maar wat veroorzaakt dit effect? Verschillende ideeën zijn al overwogen. Sommigen denken dat de zon zoveel massa verliest, door kernfusie en het uitstoten van zonnewind, dat de aantrekking tot de aarde vermindert. Andere meer exotische verklaringen zijn dat de zwaartekrachtsconstante G van grootte vermindert, een gevolg van kosmische uitzetting is of zelfs dat donkere materie de boosdoener is. Geen van deze verklaringen bleek echter bevredigend.

Of toch bekend?
Takaho Miura en drie collega’s van de Hirosaki Universiteit in Japan denken dat ze het antwoord hebben gevonden: getijdeeffecten. Zon en aarde drukken elkaar weg door de getijden die ze bij elkaar opwekken. Dit proces zorgt er overigens ook voor dat de maan zich van de aarde verwijdert met ongeveer 4 cm per jaar. De energie die elke keer vrijkomt bij de getijden wordt geleverd door de rotatie van de aarde (deze wordt steeds langzamer). Miura en zijn groep denken dat de aarde ook een (zeer kleine) getijdegolf in de zon opwekt. Door de interactie met de aarde en de andere planeten (uiteraard vooral de gasreus Jupiter, die meer dan duizend keer zwaarder is dan de aarde) tolt de zon elke eeuw drie milliseconden langzamer. Op dit moment roteert de zon nog ongeveer een keer per maand. Door de impulsoverdracht tussen aarde en zon stoten de twee hemellichamen elkaar langzaam af. Een vergelijkbaar effect zal uiteraard ok op de andere planeten inwerken.

Bron
Tahako Miura et al., Secular increase of the Astronomical Unit: a possible explanation in terms of the total angular momentum conservation law, Arxiv (2009)

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Waterstofijs verklaring raadselachtige IR-gloed en donkere materie?

Waterstofijs is vrijwel onzichtbaar met radiotelescopen. Een ideale kandidaat voor donkere materie dus, zou je zeggen. Tot voor kort werd door astronomen aangenomen dat waterstofijs niet de donkere materie kan verklaren, omdat waterstofijs zelfs bij de zeer lage temperaturen in de interstellaire ruimte sublimeert (van vaste stof in gasvorm overgaat). Nu zijn ze daar niet meer zo zeker van: bepaalde onzuiverheden kunnen de atomen voldoende stabiel bij elkaar houden. Hebben we eindelijk de dader te pakken?

Vast waterstofijs is doorzichtig

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.
H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Vaste waterstof is naar aardse begrippen een opmerkelijke stof. Het weegt bijvoorbeeld per liter slechts vijftig gram. Bij zeer hoge druk krijgt het metaaleigenschappen, de reden voor het extreem sterke magneetveld van de gasreus Jupiter. Vaste waterstof is in principe een kandidaat om donkere materie te verklaren. Astronomen weten al lang dat een groot deel van het heelal is gevuld met diffuse waterstof. In feite, kunnen ze geïoniseerd waterstofgas zien door de elektromagnetische golven dat het afgeeft.

In de jaren zestig suggereerden sommige astronomen dat het interstellaire medium ook zou kunnen zijn gevuld met vast waterstofijs. Diverse anderen wezen er later op dat dit onwaarschijnlijk was, omdat het ijs zou moeten sublimeren, zelfs in de extreme kou van de interstellaire ruimte. Kort geleden hebben sterrenkundigen toch dit idee heroverwogen en steeds meer wetenschappers beginnen te geloven in waterstofijs. Dat komt omdat chemici hebben ontdekt dat waterstofijs stabieler is als dit verontreinigingen bevat. De extra ionen in het rooster helpen om H2 ijs te stabiliseren.

Dat roept een interessante vraag op. Waterstofijs is min of meer doorzichtig op optische frequenties. Dus hoe kunnen we het detecteren in de ruimte?

‘H6+-ionen verklaren mysterieuze straling’
Ching Lin Yeh aan de Australian National University in Canberra en een paar collega’s doen een interessante suggestie. Ze zeggen dat wanneer fotonen waterstofijs treffen, ze geïoniseerd waterstof creëren en met name clusters van H6+ in het leven roepen. Dit complexe ioncluster van zes protonen en vijf elektronen wordt niet in waterstofgas gevormd, zodat de aanwezigheid ervan is een goede marker is voor waterstofijs. Bestaat H6+, dan bestaat er waterstofijs.

Het probleem is dat niemand weet hoe H6+ zich gedraagt – dit onderzoek is nog niet uitgevoerd in het lab. Dus Ching Lin Yeh en de zijnen hebben, uitgaande van de kwantummechanische beschrijving van het hypothetische H6+-ion, de vibrationele overgangen van het ion berekend. Hun conclusie is dat H6+ (en haar gedeutereerde neefje (HD)3+) verschillende infraroodemissies moet produceren.

Vervolgens vergelijken ze hun voorspellingen met daadwerkelijk door astronomen waargenomen frequenties. Het blijkt dat de interstellaire ruimte flauw gloeit: een complex mengsel van frequenties. Deze emissies zijn de zogenaamde diffuse interstellaire banden of DIBs en hun herkomst is al lang een raadsel voor astronomen. Ching Lin Yeh en zijn medeauteurs stellen dat de voorspelde emissies van H6+ nauw overeenkomen met die astronomen kunnen zien. “Wij concluderen dat het goed mogelijk is dat vaste H2 overvloedig aanwezig is in het interstellaire medium,” zeggen ze.

Eenvoudige verklaring: geen exotische chemische stoffen nodig
Dit is uiterst interessant. Waterstof moet een belangrijk onderdeel zijn van het interstellaire medium, maar astronomen weten dat gasvormige waterstof niet de waargenomen straling kan produceren. De in het nauw gedreven astronomen probeerden de straling te verklaren met behulp van allerlei soorten meer complexe moleculen, zelfs grote organische moleculen, zoals aminozuren en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, de bouwstenen van het leven.

Er zijn duidelijke aanwijzingen dat deze moleculen aanwezig zijn in sommige dichte wolken (geproduceerd door supernova’s), maar het gaat uiterst ver, te beweren dat ze zijn verspreid over het hele interstellaire ruimte. Dat zou namelijk betekenen dat er tijdens of vlak na de Big Bang enorme hoeveelheden van deze stoffen zijn geproduceerd – wat in strijd is met zo ongeveer alle serieuze kosmologische modellen. Theoretisch gesproken is H6+ dus een godsend. Iemand moet H6+ van massief waterstof maken en nauwkeurig het stralingsgedrag in deep space meten. Lukt dat, dan zou dat een aantal theoretici van een uiterst vervelend probleem afhelpen. Geen gemakkelijke experiment, dat is zeker, maar beslist mogelijk met de huidige technologie.

Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire rumtereizen.
Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire ruimtereizen.

Gevolgen van grote hoeveelheden vast waterstofijs in de ruimte
Reizen met snelheden in de buurt van het licht worden aan de ene kant erg lastig, omdat brokjes botsende materie bij relativistische snelheden even explosief is als antimaterie. Zelfs een klein brokje waterstofijs heeft dan al verwoestende effecten.

Wellicht kan een ramjetdesign, zoals van Bussard, hierbij helpen. Het magnetische schepveld kan dan de geladen ijsdeeltjes invangen en laten fuseren, waardoor toch het sterrenschip wordt beschermd en tegelijkertijd brandstof uit het interstellaire medium wordt geschept.

Aan de andere kant zou dit materiaal als hulpbron kunnen worden ingezet met (naar moderne begrippen) haalbare technologie. Je kan je voorstellen dat enorme hoeveelheden vast waterstofijs worden samengebracht als brandstof voor  kernfusiecentrales of om nieuwe sterren mee te scheppen.

Bron:
Ching Lin Yeh et al., Interstellar Solid Hydrogen, arxiv.org

Kijken we wel op de juiste plek naar ET?

Astro-archeologie: op ET jagen met de telescoop

Zijn we alleen in het heelal? SETI, het project waarmee radiotelescopen proberen buitenaardse beschavingen op te sporen, heeft tot nu toe nog geen resultaat opgeleverd. Misschien zoeken we wel helemaal verkeerd. Vergevorderde beschavingen hebben volgens theorieën van onder meer Freeman Dyson en anderen verregaande invloed op hun directe omgeving…

Kloppen de veronderstellingen van SETI wel?

Kijken we wel op de juiste plek naar ET?
Kijken we wel op de juiste plek naar ET?

SETI, de Search for Extra Terrestrial Intelligence, gaat er van uit dat aliens net als wij nogal luidruchtig zijn. De allerkrachtigste aardse radiozenders zenden minder dan een megawatt uit en zijn met een uiterst gevoelige radiotelescoop op een afstand van enkele honderden lichtjaren te horen. Voor interplanetaire radar wordt nu overigens gewerkt aan zenders met een vermogen van gigawatts. Dit zou het bereik dertig keer zo groot maken. In feite is een hoog vermogen niet zo logisch als het lijkt. Maken zender en ontvanger bijvoorbeeld gebruik van kwantumverstrengeling, dan kan het vermogen met factor duizend omlaag. Ook vindt op dit moment de meeste communicatie al plaats via glasvezel, niet meer door de ether. Er is grote kans dat over enkele tientallen jaren het aardse ethergeraas is verstomd tot een gefluister.

Chemische signalen van buitenaardse beschavingen
Ons aardoppervlak ziet er heel anders uit dan tienduizend jaar geleden. De reden: mensen hebben een groot deel van de oppervlakte in gebruik voor landbouw. Zelfs toen er nog geen radiogolven werden uitgezonden, zou een buitenaards wezen de merkwaardig regelmatige akkers zien. Misschien zouden ze met bijvoorbeeld Fourieranalyse regelmatige patronen in exoplanetaire straling aan kunnen tonen. Op grotere afstand zouden aliens in de atmosfeer sporen freon en andere industriële gassen kunnen ontdekken.
Wij kunnen hetzelfde doen. Door het spectrum van exoplaneten onder de loep te nemen kunnen we zien of er chemische verbindingen in de atmosfeer voorkomen die alleen op kunstmatige manier kunnen ontstaan.Leven opsporen is makkelijker: daarvoor hoeven we alleen te kijken naar afwijkingen van de thermodynamische verdeling van verbindingen. Zo komen aminozuren (bouwstenen van eiwitten) uit buitenaardse meteorieten in heel andere verhoudingen voor dan in levende organismen op aarde.

Dysonschillen
De afstanden tussen sterren zijn enorm (de afstand van de aarde tot Alfa Centauri, onze buurster, is 280 000 maal zo groot als die van de aarde tot de zon) en snelheden dicht bij de lichtsnelheid bereiken kost heel veel energie. Botsingen bij relativistische snelheden zijn dodelijk: zelfs een brokstuk van een gram ontploft met de kracht van een Hiroshima-bom.

Het is dus logischer dat ET het planetenstelsel om de eigen moederster onder handen neemt, Kardashev-II. Hier kunnen we sporen van zien. Natuurlijke puinringen hebben uiteindelijk de neiging zich te ontwikkelen tot een platte schijf, ongeveer zoals het ringenstelsel van Saturnus. Voor buitenaardse wezens is deze configuratie van ruimtekolonies niet logisch. Hiermee zouden ze immers het zonlicht afschermen. Het is slimmer verschillende omloopbanen te hebben die elk een hoek maken met de andere omloopbanen om zo het licht van de hele zon te kunnen benutten. Dyson stelde oorspronkelijk voor om een massieve schil om de moederster heen te bouwen maar de krachten die nodig zijn om die intact te houden gaan die van elk bekend materiaal ver te boven,. Een ontwikkeld Kardashev-II planetenstelsel zal er daarom van grote afstand uitzien als een bolvormige wolk puin die gloeit met een temperatuur van rond de dertig graden. Ongeveer zo warm als het object WD 0806-661 B