Het licht hint op de aanwezigheid van een gas- en stofschijf waarin op dit moment wellicht manen ontstaan.

Dat schrijft een internationaal team van sterrenkundigen – onder Nederlandse leiding – in het blad Astronomy & Astrophysics. Hun paper handelt over de exoplaneet DH Tau b, die zich op zo’n 437 lichtjaar afstand van de Aarde bevindt. De planeet is elf keer zwaarder dan ‘onze’ Jupiter (de zwaarste planeet in ons zonnestelsel) en is tien keer verder van zijn moederster verwijderd dan Neptunus (de buitenste planeet in ons eigen zonnestelsel).

Piepjong en heet
Met een leeftijd van zo’n 2 miljoen jaar is de planeet piepjong. Zo jong zelfs dat deze nog nagloeit van zijn ontstaan en warmte uitzendt in de vorm van infraroodstraling. En met behulp van het SPHERE-instrument op de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) in Chili hebben onderzoekers nu ontdekt dat deze infraroodstraling gepolariseerd is, oftewel dat de lichtgolven in een voorkeursrichting trillen.

Het is een opzienbarende ontdekking. Niet alleen omdat deze ons meer vertelt over de directe omgeving van de jonge exoplaneet. Maar ook omdat deze ontdekking niet direct voor de hand lag, maar alleen mogelijk was doordat de onderzoekers SPHERE boven zichzelf uit lieten stijgen. “Doordat we het instrument helemaal goed begrepen, konden we het instrument beter laten presteren dan waarvoor hij ontworpen was,” aldus onderzoeker Rob van Holstein.

Gas- en stofschijf
Aan de ontdekking is jaren van onderzoek voorafgegaan. Maar het resultaat mag er zijn. Want het gepolariseerde licht van DH Tau b onthult meer over de directe omgeving van de exoplaneet. Uit het licht kunnen Van Holstein en collega’s namelijk afleiden dat rond de planeet een gas- en stofschijf te vinden is. “De infraroodstraling afkomstig van de atmosfeer van de planeet zelf is ongepolariseerd: de lichtgolven trillen in alle richtingen,” zo vertelt Van Holstein aan Scientias.nl. “Een deel van deze straling wordt verstrooid (gereflecteerd) door het stof in de schijf die om de planeet draait. Bij deze verstrooiing worden lichtgolven met bepaalde trillingsrichtingen beter gereflecteerd dan lichtgolven met andere trillingsrichtingen. Als gevolg hiervan trillen de lichtgolven in de verstrooide straling in een voorkeursrichting. De verstrooide infraroodstraling is dus gepolariseerd. Met onze waarnemingen meten we de straling afkomstig van de atmosfeer en de schijf samen, en dit maakt dat de gemeten straling licht gepolariseerd is.”

Drie afbeeldingen van DH Tau b en de moederster. De linker afbeelding toont al het licht, dus ongepolariseerd en gepolariseerd licht. De middelste afbeelding toont alleen het gepolariseerde licht. De rechter afbeelding laat daarnaast de richting van het gepolariseerde licht zien. In gepolariseerd licht is de planeet DH Tau b te zien, wat wijst op een schijf van stof en gas om deze planeet. De schijf rond de ster is ook zichtbaar. Afbeelding: ESO / VLT / SPHERE / Van Holstein et al.

Ontstaan
De gas- en stofschijf rond de exoplaneet blijkt bovendien anders georiënteerd te zijn dan de gas- en stofschijf rond de moederster. En dat hint er weer op dat de planeet op grote afstand van de ster is ontstaan en niet – zoals de meeste planeten – dicht bij de ster is gevormd en daarna naar buiten gemigreerd is. “Een ster vormt als een grote wolk van gas en stof onder invloed van zijn eigen zwaartekracht ineenstort,” legt Van Holstein uit. “Bij dit proces vormt zich om de ster een schijf van gas en stof waarin zich vervolgens de planeten vormen. Om deze planeten vormen zich dan ook weer schijven, vaak met dezelfde oriëntatie als de schijf rond de ster, waar uiteindelijk manen uit kunnen vormen. DH Tau b staat op een zeer grote afstand van de ster, ver weg van de schijf rondom de ster (zie de middelste van de drie afbeeldingen hierboven). Als de planeet dus uit deze schijf om de ster ontstaan is, moet hij door een ander zwaar object (bijvoorbeeld een andere zware planeet) uit zijn baan geslingerd zijn. Echter is het zeer waarschijnlijk dat de planeet daarbij zijn schijf verliest, en dit is duidelijk niet het geval. Een logisch alternatief is dat de wolk waar de ster uit gevormd is, is ineengestort tot twee objecten: de ster en de planeet DH Tau b. Dit zou verklaren waarom DH Tau b op zo’n grote afstand van de ster staat en ook nog steeds zijn schijf heeft. En omdat de ster en DH Tau b zich onafhankelijk van elkaar hebben gevormd, is er geen reden dat hun schijven dezelfde oriëntatie zouden moeten hebben.”

Exomanen
Zoals de gas- en stofschijf rond sterren exoplaneten kunnen voortbrengen, kan de gas- en stofschijf rond DH Tau b manen voortbrengen. Of de exoplaneet ook daadwerkelijk door manen omringd wordt, is met SPHERE helaas niet te achterhalen, vertelt Van Holstein. “Als zo’n maan vanaf de Aarde gezien voor de planeet langstrekt, zouden we de polarisatie van de planeet moeten zien veranderen. Echter is het instrument helaas niet gevoelig genoeg om op dit moment zulke metingen te kunnen doen. Een beter alternatief is wellicht om te proberen zulke manen direct af te beelden. Met de Very Large Telescope kunnen we nu de ster en de planeet los van elkaar zien. Om vervolgens ook manen los van de planeet te kunnen zien, hebben we een veel grotere en gevoeligere telescoop nodig.” Hij denkt dan bijvoorbeeld aan de Extremely Large Telescope die momenteel in Chili wordt gebouwd en in 2025 het eerste licht moet zien.

Deze artistieke impressie onthult hoe de Extremely Large Telescope er straks uit moet gaan zien. Afbeelding: ESO.

Met de laatstgenoemde telescoop zou het overigens ook mogelijk moeten zijn om het zichtbare sterrenlicht dat rotsachtige exoplaneten reflecteren, te bestuderen. “Omdat de rotsachtige planeten kleiner zijn, geven ze minder licht af en hebben we dus een grotere, gevoeligere telescoop nodig,” aldus Van Holstein. “Daarnaast staan deze planeten ook heel dicht bij de ster. En omdat we met een grotere telescoop meer details kunnen zien, zouden we zulke rotsachtige planeten met de ELT los van de ster moeten kunnen zien.” En als dat lukt, kunnen polarisatiemetingen van dat zichtbare licht bijvoorbeeld onthullen of dergelijke exoplaneten over wolken en oceanen beschikken. “Met zulke metingen zouden we dus kunnen bepalen of er leven mogelijk zou zijn op zo’n planeet.” En op termijn zou gepolariseerd licht zelfs kunnen verraden of er ook daadwerkelijk leven op zo’n planeet te vinden is. “We weten dat licht dat door planten gereflecteerd wordt, circulair gepolariseerd is. Bij deze speciale vorm van polarisatie bewegen de lichtgolven als spiralen door de ruimte, in plaats van dat ze op en neer trillen zoals bij de lineaire polarisatie die we gevonden hebben voor DH Tau b. Als we deze circulaire polarisatie zouden kunnen meten, zou dat dus kunnen wijzen op leven. Echter zijn de verwachte circulaire polarisatiesignalen van een rotsachtige planeet zeer klein, en moet er dus op technologisch vlak nog heel wat gebeuren voordat het mogelijk is deze signalen van leven te detecteren.”

Terwijl sterrenkundigen zo reikhalzend uitzien naar de ELT en andere geavanceerde instrumenten die licht afkomstig van exoplaneten nog beter kunnen ontrafelen, leunen ze zeker niet achterover, maar proberen ze ondertussen alles uit de instrumenten te halen waar ze nu al de beschikking over hebben. Zo hebben Van Holstein en collega’s nog genoeg plannen met SPHERE. “We hebben ontdekt dat door bepaalde eigenschappen van het instrument het ook mogelijk is om circulaire polarisatie te meten. We gaan nu kijken of de schijven van stof en gas rond sterren (waar planeten uit ontstaan) ook circulair gepolariseerd licht uitstralen, om daarmee meer te leren over de structuren in zo’n schijf en de eigenschappen van de stofdeeltjes. We zijn daarnaast bezig een techniek te ontwikkelen om door het meten van polarisatie (water)ijs te detecteren in zulke zelfde schijven rondom sterren. Met zulke observaties hopen we meer te weten te komen over de vorming van planeten die veel groter zijn dan de Aarde, de zogenaamde gasreuzen, en de oorsprong van het water op Aarde.” Wordt ongetwijfeld vervolgd.