De kleur van trillend licht verraadt oceanen op exoplaneten

Victor Trees vond tijdens zijn afstudeeronderzoek voor de master Space Flight een nieuwe methode om oceanen op exoplaneten te herkennen: spectropolarimetrie, het meten van de trillingsrichting van planeetlicht in verschillende kleuren. Hij schreef er samen met zijn afstudeerbegeleider, Universitair Hoofddocent Planetary Sciences Daphne Stam, een artikel over met de titel ‘Blue, white, and red ocean planets. Simulations of orbital variations in flux and polarization colors’ . Het artikel is  net verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Astronomy & Astrophysics, Volume 626. In de juni-editie schreef Nature Astronomy een Research Highlight over het onderzoek. 

Foto: (Verbeelding van exoplaneten rond de dwergster TRAPPIST-1. Credit: ESO/M.Kornmesser) 

Water
Aards leven kan niet zonder water. Dankzij een aantal unieke eigenschappen van water, wordt gedacht dat al het leven water nodig heeft. Dus ook buitenaards leven, hoewel we daar nog geen enkel spoor van hebben gevonden. Van de planeten en manen die om onze zon draaien is de Aarde dan ook de enige met vloeibaar water op het oppervlak. Zo is Venus veel te heet en Mars te koud. Maar om vrijwel elke ster aan de hemel draaien planeten en ongetwijfeld zijn er ook Aarde-achtige exemplaren bij die deels met oceanen bedekt zijn. Maar hoe herken je een exo-oceaan en daarmee een mogelijk bewoonbare exoplaneet? 

Trillingsrichting planeetlicht
Door de enorme afstanden, beslaat een foto van een exoplaneet niet meer dan een enkele pixel met daarin het signaal van alles op het oppervlak en in de atmosfeer van de planeet. Er is eerder voorgesteld om te zoeken naar de 'glint', de scherpe reflectie van het sterlicht aan het oceaanoppervlak. Deze glint treedt echter alleen op als de planeet zich vlak voor zijn ster bevindt, wat de zoektocht extreem moeilijk maakt. Bovendien kunnen wolken het signaal verzwakken. Tijdens zijn afstudeeronderzoek vond voormalig LR-master student Victor Trees een betere methode: de trillingsrichting van het planeetlicht meten in verschillende kleuren, oftewel spectropolarimetrie. 

Door de computer-code van zijn begeleider, Daphne Stam, uit te breiden, kon Victor de trillingsrichting van het licht van een exoplaneet met een oceaan die om zijn ster draait berekenen. Langs het grootste deel van de planeetbaan blijkt het blauw gekleurd licht het sterkst te trillen, dan is er een klein deel waar alle kleuren licht even sterk trillen, en tenslotte een deel waarlangs het rood gekleurde licht het sterkst trilt. Deze kleurverandering van blauw, via wit, naar rood, treedt alleen op als er een exo-oceaan is, en ook als het zwaarbewolkt is boven die oceaan. Bovendien onthult de plaats van de verandering, de hoeveelheid wolken. 

Hoewel er nog geen geschikte telescopen zijn die foto's van Aarde-achtige exoplaneten kunnen maken, zijn er wel enkele spectropolarimetrische metingen van licht van de Aarde gedaan die deze kleurverandering lijken te bevestigen. Met Victor’s berekeningen kunnen toekomstige telescopen zo ontworpen worden dat exo-oceanen gedetecteerd kunnen worden. 

Lees verder
Lees het artikel op: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2019/06/aa35399-19/aa35399-19.html

Of op: https://arxiv.org/abs/1904.08922 

"Blue, white, and red ocean planets. Simulations of orbital variations in flux and polarization colors" has been published in Astronomy & Astrophysics, Volume 626. 

V. J. H. Trees and D. M. Stam, 2019, A&A, 626, A129