De massa van een zeer jonge exoplaneet is voor het eerst onthuld met behulp van gegevens van ESA's star mapping-ruimtevaartuig Gaia en zijn voorganger, de kwart-eeuwse gepensioneerde Hipparcos-satelliet.

Astronomen Ignas Snellen en Anthony Brown van de Universiteit Leiden, Nederland, de massa van de planeet Beta Pictoris b afgeleid uit de beweging van zijn moederster gedurende een lange periode, zoals vastgelegd door zowel Gaia als Hipparcos.

De planeet is een gasreus vergelijkbaar met Jupiter, maar, volgens de nieuwe schatting is 9 tot 13 keer massiever. Het draait om de ster Beta Pictoris, de op één na helderste ster in het sterrenbeeld Pictor.

De planeet werd pas in 2008 ontdekt op beelden die werden vastgelegd door de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in Chili. Zowel de planeet als de ster zijn slechts ongeveer 20 miljoen jaar oud - ongeveer 225 keer jonger dan het zonnestelsel. De jonge leeftijd maakt het systeem intrigerend, maar ook moeilijk te bestuderen met conventionele methoden.

"In het Beta Pictoris-systeem, de planeet is in wezen net gevormd, ", zegt Ignas. "Daarom kunnen we een beeld krijgen van hoe planeten zich vormen en hoe ze zich gedragen in de vroege stadia van hun evolutie. Anderzijds, de ster is erg heet, draait snel, en het pulseert."

Dit gedrag maakt het voor astronomen moeilijk om de radiale snelheid van de ster nauwkeurig te meten - de snelheid waarmee deze periodiek naar en van de aarde lijkt te bewegen. Kleine veranderingen in de radiale snelheid van een ster, veroorzaakt door de aantrekkingskracht van planeten in de buurt, worden vaak gebruikt om massa's van exoplaneten te schatten. Maar deze methode werkt vooral voor systemen die al door de vurige vroege stadia van hun evolutie zijn gegaan.

In het geval van Beta Pictoris b, De bovengrenzen van het massabereik van de planeet waren bereikt voordat de radiale snelheidsmethode werd gebruikt. Om een ​​betere schatting te krijgen, de astronomen een andere methode gebruikten, gebruikmakend van de metingen van Hipparcos en Gaia die de precieze positie en beweging van de ster van de planeet aan de hemel in de loop van de tijd onthullen.

"De ster beweegt om verschillende redenen, "zegt Ignas. "Eerst, de ster cirkelt rond het centrum van de Melkweg, net zoals de zon dat doet. Dat verschijnt vanaf de aarde als een lineaire beweging die op de lucht wordt geprojecteerd. We noemen het de juiste beweging. En dan is er nog het parallax-effect, die wordt veroorzaakt doordat de aarde om de zon draait. Daarom, gedurende het jaar, we zien de ster vanuit iets andere hoeken."

En dan is er nog iets dat de astronomen beschrijven als 'kleine schommelingen' in de baan van de ster langs de hemel - minuscule afwijkingen van de verwachte koers veroorzaakt door de aantrekkingskracht van de planeet in de baan van de ster. Dit is dezelfde schommeling die kan worden gemeten via veranderingen in de radiale snelheid, maar in een andere richting - op het vlak van de lucht, in plaats van langs de zichtlijn.

"We kijken naar de afwijking van wat je zou verwachten als er geen planeet was en dan meten we de massa van de planeet aan de hand van de significantie van deze afwijking, " zegt Anthony. "Hoe massiever de planeet, hoe groter de afwijking."

Om een ​​dergelijke beoordeling te kunnen maken, astronomen moeten de baan van de ster gedurende een lange periode observeren om de eigenbeweging en het parallax-effect goed te begrijpen.

De Gaia-missie, ontworpen om meer dan een miljard sterren in onze Melkweg te observeren, zal uiteindelijk in staat zijn om informatie te verstrekken over een groot aantal exoplaneten. In de 22 maanden van observaties in Gaia's tweede gegevensrelease, gepubliceerd in april, de satelliet heeft de ster Beta Pictoris ongeveer dertig keer vastgelegd. Dat, echter, is niet genoeg.

"Gaia zal duizenden exoplaneten vinden, dat staat nog op onze to-do lijst, " zegt Timo Prusti, ESA's Gaia-projectwetenschapper. "De reden dat de exoplaneten pas laat in de missie kunnen worden verwacht, is het feit dat om de kleine schommeling te meten die de exoplaneten veroorzaken, we moeten de positie van sterren meerdere jaren volgen."

Door de Gaia-metingen te combineren met die van ESA's Hipparcos-missie, die Beta Pictoris 111 keer heeft waargenomen tussen 1990 en 1993, stelde Ignas en Anthony in staat om hun resultaat veel sneller te krijgen. Dit leidde tot de eerste succesvolle schatting van de massa van een jonge planeet met behulp van astrometrische metingen.

"Door gegevens van Hipparcos en Gaia te combineren, die een tijdsverschil van ongeveer 25 jaar hebben, je krijgt een zeer lange eigen beweging, " zegt Antoon.

"Deze eigenbeweging bevat ook de component die wordt veroorzaakt door de planeet die in een baan om de aarde draait. Hipparcos zou deze planeet alleen niet hebben kunnen vinden omdat hij eruit zou zien als een volkomen normale enkele ster, tenzij we hem veel langer hadden gemeten.

"Nutsvoorzieningen, door Gaia en Hipparcos te combineren en te kijken naar het verschil in de lange termijn en de korte termijn eigenbeweging, we kunnen het effect van de planeet op de ster zien."

Het resultaat is een belangrijke stap naar een beter begrip van de processen die betrokken zijn bij de vorming van planeten, en anticipeert op de opwindende ontdekkingen van exoplaneten die zullen worden losgelaten door Gaia's toekomstige gegevensreleases.

"De massa van de jonge planeet Beta Pictoris b door de astrometrische beweging van zijn moederster, " door I. Snellen en A. Brown is gepubliceerd in Natuurastronomie , 20 augustus 2018.