Astronomie

Hoe kunnen we planeet nummer negen vinden?

Een nieuw onderzoek van Caltech suggereert dat er mogelijk ergens ver weg een grote planeet is waarvan de zwaartekracht de banen van afgelegen, ijskoude werelden bepaalt en hen dwingt om in vreemde banen rondom de zon te draaien.

Door Nadia Drake
Foto's Van Caltech

22 januari 2016

Een grote, nog niet ontdekte planeet die aan de rand van het zonnestelsel ligt te wachten: het is een fascinerende gedachte die zeker niet van de laatste jaren is. Het idee is al talloze keren geopperd. De voorspellingen zijn echter altijd onjuist gebleken. Hoe zit het dan met de nieuwste voorspelling, die het misschien wél bij het juiste eind heeft?

Hoe kunnen we te weten komen of de planeet daadwerkelijk bestaat? En is hij zelfs helder genoeg om te kunnen worden waargenomen? In dit artikel beantwoorden we deze en andere brandende vragen.

Weten we zeker dat hij bestaat?

Nee, al is het bewijs verleidelijk. UCSC-astronoom Greg Laughlin zegt dat er 68,3 procent kans is dat de planeet daadwerkelijk bestaat Konstantin Batygin, in dienst van Caltech, spreekt over 83 procent. 

Anderen zijn niet zo zeker. “Ik ben erg sceptisch over deze ontwikkeling omdat ik zo veel soortgelijke voorspellingen heb gezien. Tot nu toe zijn die nooit uitgekomen”, zegt Alan Stern, hoofdonderzoeker van de New Horizons-missie die deze zomer een ruimtevaartuig lanceerde dat inzoomt op Pluto. “Ik ben er echter wel van overtuigd dat dat uiteindelijk wel zo zal zijn. En ik twijfel er niet aan dat er veel planeten liggen te wachten.”

Dan is er nog Alessandro Morbidelli van het observatorium in Côte d'Azur, in Frankrijk. Hij vertelde aan The New York Times dat hij er tienduizend euro op wil wedden dat de planeet echt bestaat.

Hoe weten we dat hij zal voldoen aan alle criteria om als planeet te worden gezien?

Wanneer je de criteria bedoelt die in 2006 door de International Astronomical Union werden vastgesteld, moeten we weten of de potentiële planeet om de zon draait, rond is en genoeg zwaartekracht bezit om zijn baan te domineren.

Deze planeet zal duidelijk om de zon draaien. Bovendien is iets met 10 keer de massa van de aarde meer dan massief genoeg om rond te zijn. Wat betreft dat laatste punt – het verwijderen van kleine voorwerpen en ander afval uit zijn baan: “Planeet negen dwingt alle objecten die zijn baan kruisen in deze foutief afgestemde posities. Hij past dus prima in dat concept”, stelde Mike Brown, de andere helft van het Caltech-team, tegenover Washington Post.

Hoe zal deze planeet zijn?

Ongetwijfeld koud. De planeet bevindt zich op zijn dichtstbijzijnde punt nog steeds 200 keer verder van de zon dan de aarde, terwijl het verste punt een kolossale 600 tot 1200 keer de afstand van de aarde tot de zon bedraagt.

Met een massa van zo'n 10 keer de aarde zal de koude wereld meer op een gasachtige mini-Neptunus lijken dan op een rotsachtige planeet. Deze inschatting is gebaseerd op informatie van exoplaneten, die het meest binnen deze massacategorie vallen. Tot nu toe is dit type planeet, dat extreem veel voorkomt, echter opvallend afwezig in het zonnestelsel.

Kan hij manen hebben?

Misschien wel. “Het zou heel interessant zijn als hij satellieten heeft”, vertelt Laughlin. Wanneer deze manen groot genoeg zijn om te worden waargenomen, kunnen we de massa van de planeet vaststellen en een beter idee krijgen van de materialen waaruit hij bestaat.

Hoe zullen we deze planeet noemen?

Goede vraag. De wereld is nog niet waargenomen en als dat ooit gebeurt, zal het naamgevingsproces een officieel en langdurig traject worden. Het Caltech-team noemt hem planeet negen, een puntige verwijzing naar de omstreden herclassificering en verwijdering van Pluto uit de reeks planeten in 2006 – een beslissing die deels werd gemotiveerd door het werk van Mike Brown, die zich nu mogelijk op de ironische vooravond bevindt van de wederopstanding van een negende planeet.

Maar ... dit kan ook planeet tien zijn, afhankelijk van hoe je een planeet definieert. Of ... planeet veertien (Denk aan Ceres, Haumea, Makemake en Eris.)

Hoe kunnen wetenschappers hem vinden?

“Ga naar een grote telescoop met een breed beeldveld en kijk zo veel mogelijk naar de lucht”, zegt Chad Trujillo van het Gemini-observatorium, die inmiddels diverse objecten op grote afstand in ons zonnestelsel heeft gevonden. Hij vervolgt: “Maak drie foto's van de lucht, mogelijk met een tussentijd van 1,5 tot 2 uur, en kijk naar dingen die bewegen. Voorwerpen die snel bewegen zijn asteroïden en bevinden zich op korte afstand; voorwerpen die langzamer bewegen, bevinden zich verder weg.”

Om planeet negen te vinden moeten wetenschappers Clyde Tombaugh inschakelen. Hij vond Pluto in 1930 nadat hij foto's van verafgelegen sterrennevels had bekeken en naar een verschuivend stipje licht had gezocht.

Als planeet negen al bestaat zal het echter nog wel wat moeilijker zijn om hem te vinden dan het geval was met Pluto. De planeet staat verder weg en zal donkerder zijn, en wetenschappers verwachten dat het 10.000 tot 20.000 jaar duurt voor hij een keer om de zon is gedraaid. Hij zal zich dus heel langzaam door de lucht bewegen.

We weten niet waar de planeet zich in zijn baan bevindt, maar de kans is groot dat hij niet in de buurt is. Bovendien is de lap lucht die zijn baan bedekt enorm en doorkruist hij twee keer de Melkweg. Zelfs onder de beste omstandigheden is het moeilijk om de planetaire naald in de kosmische hooiberg te vinden. Dat wordt nog moeilijker wanneer je die naald uit een galactisch kleed boordevol sterren moet halen.

Het is echter niet onmogelijk. Wetenschappers kunnen er met verschillende telescopen op aarde in slagen om een glimp op te vangen van iets aan de rand van het universum, stelt Trujillo. Net als anderen geeft hij aan dat de Subaru-telescoop op Mauna Kea en een kleinere telescoop in Chili iets bleeks op grote afstand kunnen vinden. Als teams iets zien bewegen, proberen ze dat object minimaal drie keer waar te nemen, zodat ze een voorlopige afstand en helderheid in beeld kunnen brengen. Daarna zullen ze zich met maanden van waarnemingen inzetten om de exacte baan vast te stellen. 

Wacht ... hoe helder is hij?

Dat weet niemand precies. De helderheid van een planeet is afhankelijk van zijn omvang, afstand en samenstelling – en we weten nu nog niet echt iets over deze aspecten. Er zijn echter manieren om een schatting te maken van de helderheid van de wereld. Astronomen noemen deze helderheid de ‘magnitude’. Omdat astronomen soms graag dingen achterstevoren doen, werkt de schaal anders dan je mag verwachten: voorwerpen met een hogere magnitude zijn in werkelijkheid minder helder. Pluto heeft op dit moment bijvoorbeeld een magnitude van ongeveer 14. De zon een van -26,74. Wanneer je in een grote stad woont, kun je waarschijnlijk geen voorwerpen zien met een magnitude van minder dan 3 of hooguit 4. Batygin en Brown hebben berekend dat deze planeet het dichtst bij de zon een magnitude van ongeveer 18 heeft. Dat is helder genoeg om te worden opgepakt met een hoogwaardige huis-tuin-en-keukentelescoop. Daarom is het onwaarschijnlijk dat hij zich nu dicht bij de zon bevindt, want dan hadden we hem allang gezien.

Op zijn verste punt zal de planeet een magnitude hebben van ongeveer 24, ofwel 10.000 keer minder helder dan Pluto. Dat is niet vaag genoeg om níet met een telescoop te worden waargenomen, maar het wordt er in elk geval niet gemakkelijker op. Houd er rekening mee dat deze bleke lichtvlek zich heel langzaam door een dicht sterrenveld beweegt.

Hoe hebben ze die helderheid berekend? We weten immers niet hoe groot hij is, waar hij is of waar hij uit bestaat?

Batygin en Brown gingen ervan uit dat de planeet twee tot vier keer groter is dan de aarde (daar lees je zo meer over) en dat de weerspiegeling vergelijkbaar is met die van Neptunus. Dat is een eigenschap die van belang is wanneer je erover nadenkt hoe veel licht door een object wordt weerkaatst. Reflectievermogen wordt ook wel ‘albedo’ genoemd en wordt ingedeeld op een schaal van 0 (heel donker) tot 1 (heel licht).

De reden voor de veronderstelling dat de planeet op Neptunus lijkt is gebaseerd op het feit dat de planeet met zijn massa van grofweg 10 keer de aarde waarschijnlijk meer lijkt op een gasvormige miniversie van Neptunus dan op iets met een hard en steenachtig oppervlak. Het mag geen verrassing zijn dat andere atmosferen andere reflectievermogens hebben Dit deel van de berekening bevat dan ook een bepaalde mate van onzekerheid.

De grootste onzekerheid in de berekening van de helderheid (los van de afstand) schuilt echter in de omvang van de planeet – hij kan twee tot vier keer groter zijn dan de aarde – en in het oppervlak van een reflecterende oppervlakteschaal als het kwadraat van de straal. “De onzekerheid met factor 2 voor wat betreft de omvang, leidt tot een onzekerheid met factor 4 voor wat betreft het oppervlak”, aldus Andy Rivkin van het Applied Physics Lab van The John Hopkins University. “Dat komt van zichzelf al neer op een magnitude van 1,5.”

Die mate van onzekerheid is in zijn geheel niet zo erg en de meeste schattingen van de helderheid van deze planeet op zijn verste punt lijken zich ergens tussen een magnitude van 23 en 25 te bevinden. “Ik zou zeggen dat er op een bepaalde afstand waarschijnlijk een onzekerheid van 1 tot 2 magnitudes in de voorspelling zit”, zegt Laughlin.

Kunnen we een soortgelijke techniek gebruiken om planeten rondom andere sterren te vinden?

Ja, als we dergelijke gedetailleerde waarnemingen konden doen voor kleine voorwerpen rondom andere sterren (en dat kunnen we niet). De vraag wordt dan: is het gemakkelijker of moeilijker om het bestaan van een exoplaneet te bewijzen op basis van hoe hij kleine exodingetjes verstoort?

Laughlin betoogt dat het gemakkelijker zal zijn. Ontdekkingen in het zonnestelsel moeten volgens hem aan een hogere bewijslast voldoen dan ontdekkingen rondom andere sterren. “Ik denk dat als er een mechanisme zou zijn om zeer nauwkeurige waarnemingen van banen van kometen in een stelsel van exoplaneten te doen en je deze hoeveelheid bewijs zou zijn, je zonder meer kon stellen dat er een planeet met 10 keer de aardmassa is die dat spul verstoort.” 

Natalie Batalha van NASA, lid van het Kepler-team dat naar planeten zoekt, merkt op dat er al planeten rondom andere sterren zijn ontdekt op basis van de manier waarop ze andere objecten – vooral andere planeten – verstoren. In 2011 beschreven wetenschappers de planeet ‘Kepler 19c’. De planeet was niet rechtstreeks waargenomen, maar zijn aanwezigheid was afgeleid van de manier waarop hij een verwante planeet met de naam ‘Kepler 19b’ liet bewegen. Wanneer het paar zich in een baan om de ster beweegt, trekt de zwaartekracht van 19c aan 19b, waardoor de frequentie verandert waarmee 19b het licht van de ster periodiek blokkeert. Wetenschappers kunnen deze lichte afwijkingen, de zogenaamde ‘transitiemethode’, gebruiken om de baanperiode en massa van de onzichtbare verstorende planeet te vatten. Men vermoedt dat de methode gevoelig genoeg is om planeten met een kleine massa te detecteren.

Is deze planeet de vijfde reus die volgens wetenschappers ooit door Jupiter uit zijn baan is geslagen?

Nee. Allereerst is het idee dat ons zonnestelsel ooit een vijfde grote planeet had afkomstig uit simulaties uit vroeger dagen. Plaats een vijfde wereld in het rijk van de reuzen (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus) en je eindigt met een zonnestelsel dat veel meer lijkt op het stelsel waarin we vandaag de dag leven. Wanneer die vijfde grote planeet bestond, zou hij honderden miljoenen jaren na zijn ontstaan door de zwaartekracht van Jupiter in de ruimte zijn geslingerd.

Batygin en Brown denken dat hun planeet binnen enkele miljoenen jaren na het ontstaan van de zon zou zijn ‘weggeworpen’. Onze ster bevond zich toen nog in zijn geboortestadium en de omringende sterren zouden hebben helpen voorkomen dat de zwevende planeet voor altijd in de ruimte zou moeten zwerven.