Als we denken aan ontdekkingen van aardachtige exoplaneten, de Kepler-ruimtetelescoop komt meteen voor de geest. Nog, het is niet alleen Kepler, maar ook op de grond gebaseerde informatie van de HARPS-N-spectrograaf, waardoor het ETAEARTH-consortium informatie over deze planeten kon verkrijgen met een nooit eerder bereikte nauwkeurigheid.

Een gezamenlijk initiatief van Europa en de VS, ETAEARTH (Eta_Earth meten:karakterisering van terrestrische planetaire systemen met Kepler, HARPS-N, en Gaia), werd belast met het meten van de dynamische massa's van terrestrische planeetkandidaten ontdekt door de Kepler-missie. Het project heeft boven verwachting opgeleverd, verantwoordelijk zijn voor de meeste ontdekkingen van aardachtige planeten die de afgelopen vijf jaar zijn gedaan.

Dr. Alessandro Sozzetti, coördinator van het project en onderzoeker bij het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië, bespreekt de resultaten van het project.

Er is veel lopend onderzoek gewijd aan aardanalogen. Waarin onderscheidt ETAEARTH zich?

Gedurende de vijf jaar van het project, ETAEARTH heeft de fantastische fotometrische precisie van NASA's Kepler- en K2-missies en de ongeëvenaarde kwaliteit van radiale snelheidsmetingen op de grond gecombineerd met de HARPS-N-spectrograaf op de Italiaanse Telescopio Nazionale Galileo (TNG) op de Canarische Eilanden. Het punt was om de fysieke eigenschappen te bepalen van terrestrische extrasolaire planeten in een baan rond sterren die even groot of kleiner zijn dan de zon, met ongekende nauwkeurigheid.

ETAEARTH-wetenschappers hadden een aanzienlijk voordeel ten opzichte van andere onderzoeksteams omdat we toegang hadden tot een opvallend Guaranteed Time Observations (GTO)-programma met HARPS-N@TNG, voor een totaal van 400 observatienachten gedurende vijf jaar. Een dergelijke grote tijdsinvestering in de telescoop was de sleutel tot de spectaculaire successen van het project.

Wat is de toegevoegde waarde van het combineren van KEPLER- en HARPS-N-gegevens?

Kepler en K2 maken gebruik van de techniek van planetaire transits:ze meten de dip in het licht van een ster als een planeet deze passeert, het onthullen van de grootte van de planeet. HARPS-N, anderzijds, meet veranderingen in de snelheid van de ster als gevolg van de aantrekkingskracht van een planeet in een baan om de aarde, waardoor we de massa kunnen bepalen.

Door de combinatie van deze twee waarnemingen, we kunnen de dichtheid van de planeet berekenen en de bulksamenstelling bepalen (bijv. rotsachtig, waterrijk, gasrijk, enz.) met hoge nauwkeurigheid.

Kun je iets meer vertellen over je methodiek?

ETAEARTH heeft Kepler- en K2-kandidaten voor exoplaneten met een kleine straal zorgvuldig geselecteerd op basis van hun kansen om hun massa nauwkeurig te laten meten met HARPS-N. Vervolgens hebben we adaptieve observatiestrategieën ontworpen die zijn afgestemd op elk systeem, afhankelijk van bijvoorbeeld de grootte van het met HARPS-N gezochte signaal en van de omlooptijd van de kandidaat.

Nadat een waarnemingscampagne voor een bepaald doel was voltooid, we hebben nauwkeurig de fundamentele fysieke parameters van de centrale ster bepaald - dat wil zeggen, zijn massa en straal - omdat alleen nauwkeurige kennis van deze grootheden ons in staat stelt nauwkeurige schattingen van de planetaire parameters af te leiden.

De volgende stap in onze methodologie omvatte een geavanceerde gecombineerde analyse van de beschikbare Kepler/K2- en HARPS-N-gegevens om alle orbitale en fysieke parameters van het systeem af te leiden (voor zowel enkele als meerdere transiterende planeten). Eindelijk, onze metingen van planetaire dichtheden werden vergeleken met voorspellingen uit de theorie om de feitelijke samenstelling van de planeet(en) te onderbouwen.

Wat waren de belangrijkste moeilijkheden die u tijdens dit proces tegenkwam en hoe hebt u deze overwonnen?

De grootste uitdaging waarmee we te maken hadden, kwam voort uit het omgaan met sterrenactiviteit. Dit fenomeen, voornamelijk geproduceerd door vlekken op het oppervlak van de ster die in en uit het zicht komen als de ster draait (net als onze zon), introduceert complicaties bij de interpretatie van de gegevens – met name die verzameld met HARPS-N. Het kan soms een planetair signaal volledig maskeren of zelfs nabootsen. Dus je denkt dat je een planeet ziet, maar in plaats daarvan meet je nauwkeurig de ster die acteert!

Onze leercurve was steil, maar uiteindelijk zijn we erin geslaagd, een tweeledige benadering gebruiken:ten eerste, we hebben onze waarnemingsstrategieën met HARPS-N aangepast om ervoor te zorgen dat we zowel stellaire als planetaire signalen goed genoeg konden bemonsteren. Met de best mogelijke tijdsverdeling van onze waarnemingen, vervolgens ontwikkelden we geavanceerde analysetools waarmee we planetaire signalen en die geproduceerd door stellaire activiteit effectief konden ontwarren.

Wat waren volgens jou je belangrijkste bevindingen?

We konden voor het eerst iets leren over de fysica van het interieur van deze objecten. We hebben met name met hoge precisie (20 procent of beter) de samenstelling bepaald van 70 procent van de momenteel bekende planeten met een massa tussen één en zes keer die van de aarde en met een rotsachtige samenstelling die vergelijkbaar is met die van de aarde.

Tussen deze, we ontdekten Kepler-78b, het eerste planetaire object met een vergelijkbare massa, straal en dichtheid naar de aarde. We hebben ook de twee dichtstbijzijnde transiterende rotsplaneten gevonden, in een baan om de zonne-type ster HD219134 op slechts 21 lichtjaar afstand. Dit gouden monster van planeten met goed ingeperkte parameters stelde ons in staat om te concluderen dat alle dichte planeten met massa's van minder dan zes aardmassa's (inclusief aarde en Venus) goed worden beschreven door precies dezelfde rotsachtige samenstelling (in technische termen, dezelfde vaste verhouding van ijzer tot magnesiumsilicaat).

Het meest opvallend is, ETAEARTH biedt de allereerste beperkingen op de dichtheid van K2-3d, een planeet in een meervoudig transiterend systeem dat qua massa vergelijkbaar is met de aarde en draait binnen de bewoonbare zone van de ster waarvan tot nu toe bekend is dat deze qua massa het dichtst bij de zon staat. K2-3d lijkt te behoren tot de nog ongrijpbare klasse van 'waterwerelden', met een dichtheid die iets lager is dan die van de aarde.

Eindelijk, met behulp van informatie uit de volledige steekproef van objecten gevonden door Kepler, hebben we vastgesteld dat een op de vijf zonneachtige sterren een aardachtige planeet herbergt, d.w.z. een object met een grootte vergelijkbaar met de aarde in een baan binnen de bewoonbare zone van zijn moederster van het zonnetype.

Wat zijn uw vervolgplannen, indien van toepassing?

Onze post-ETAEARTH-plannen zullen voornamelijk gericht zijn op het aanboren van het enorme potentieel dat op het punt staat te worden ontketend door de nieuwe belangrijke speler in de exoplaneetarena, NASA's TESS-missie die slechts een paar weken geleden met succes werd gelanceerd.

TESS zal over het grootste deel van de waarneembare hemel transiterende planeten vinden met stralen die niet veel groter zijn dan die van de aarde, en rond sterren die doorgaans vijf tot tien keer helderder zijn dan die waargenomen door Kepler. Sommige van deze kleine planeten zullen rond de bewoonbare zone draaien op afstanden van hun centrale sterren (meestal met een lagere massa dan de zon).

We zijn van plan grote hoeveelheden waarnemingsmiddelen van beide halfronden te investeren, terwijl we HARPS-N en de nieuwe ultrahoge precisie Europese planeetjager ESPRESSO op de Very Large Telescope in de Chileense Andes blijven gebruiken om massa's en dichtheden van de beste te meten kandidaten aangeboden door TESS. Door dit te doen, zou het aantal optimale doelen dat geschikt is voor onderzoek van hun atmosfeer drastisch kunnen toenemen.