In 1995 ontdekten Zwitserse sterrenkundigen de eerste exoplaneet – een planeet buiten ons zonnestelsel. Inmiddels, duizenden exoplaneten later, kunnen wetenschappers concluderen dat bijna elke ster een planetenstelsel heeft. Bij het observatorium in de Franse Haute Provence waar het onderzoek dertig jaar geleden werd afgetrapt, komt een instrument dat hierin een cruciale rol kan spelen. Het brein erachter: Casper Farret Jentink.
„Mijn interesse voor meetinstrumenten begon op de middelbare school”, zegt hij. „Op een kerstmarkt in het Duitse Oldenburg kocht ik een brok steen waarvan de verkoper beweerde dat het uraniumerts was. Op eBay vond ik een bouwpakketje om zelf een geigerteller in elkaar te solderen – de man bleek gelijk te hebben gehad.” Farret Jentink bouwde later als student sterrenkunde in Groningen een radio-interferometer voor zonne-observaties en ontwierp in Leiden de zonnetelescoop Aboras. En toen raakte hij verzeild in de „fascinerende” wereld van exoplaneten.
De vraag of er elders in het universum leven is, houdt hem bezig. „Als we dat vinden denk ik dat de impact op de maatschappij zeer groot zal zijn. Ik hoop dat men zal waarderen hoe bijzonder het is hoe leven zich hier op aarde heeft ontwikkeld, maar dat het ook niet uniek is. Het is een jong vakgebied dat gedreven wordt door de ontwikkeling van nieuwe instrumentatie. Dat maakt het aantrekkelijk voor mij.”
Farret Jentink solliciteerde op een promotieplaats bij het instituut van Nobelprijswinnaar Michel Mayor, die de eerste exoplaneet ontdekte. „Ik wist dat ze in Genève toffe instrumentatie ontwikkelen. Maar elk instrument begint met een vraag.” De vraag aan Farret Jentink draaide om planeten die hun atmosfeer verliezen.
Een woestijn en een vallei
Er zijn nu zo’n zesduizend exoplaneten ontdekt, in alle soorten en maten. Toch zijn er opvallende hiaten. Een voorbeeld is de ‘neptunuswoestijn’: er zijn nauwelijks Neptunusachtige exoplaneten in een korte omloopbaan. Een tweede mysterie is de ‘straalvallei’: het kleine aantal planeten dat anderhalf tot twee keer zo groot is als de aarde.
Mogelijke oorzaken hiervan zijn migratie (planeten die van baan verschuiven) en atmosfeerverdamping. „Planeten die dicht bij hun ster staan, worden heet. Hun atmosferen zetten uit en kunnen door de intense straling worden weggeblazen. Hierdoor kunnen neptunusachtige planeten hun dikke gaslagen verliezen en achterblijven als vrijwel kale, rotsachtige kernen.” De straalvallei kan op een vergelijkbare manier ontstaan: planeten die net onder een bepaalde grootte zitten verliezen hun gaslaag en worden kleiner en dichter.
Ook op aarde gebeurt dit: jaarlijks vliedt zo’n 100.000 ton van de dampkring de ruimte in. En de ‘kale’ planeet Mars had vroeger ook een atmosfeer, die het oppervlak een stuk aangenamer maakte – wellicht zelfs leefbaar. „Een beter begrip van atmosfeerverdamping is dus ook nodig voor de vraag of leven elders in het heelal bestaat.”
Theoretische modellen laten zien dat de neptunuswoestijn en de straalvallei veroorzaakt worden door een combinatie van migratie en atmosfeerverdamping. Om dit te testen is een grote studie nodig van exoplaneten van deze kritieke grootte. Maar dat is lastig: „Het zou te veel tijd in beslag nemen op grote telescopen, die erg competitief zijn.” Zo ontstond het idee voor een klein, maar efficiënt instrument dat precies is afgestemd op de onderzoeksvraag en past op een kleine telescoop. „Het wordt het eerste instrument dat speciaal gemaakt is voor een grootschalig onderzoek van planeetatmosferen.”
De Near Infrared Gatherer of Helium Transits (Night) is een spectrograaf die een klein stukje van het infraroodspectrum bestudeert waar drie spectraallijnen van helium zitten: een herkenbare ‘vingerafdruk’ die deze stof achterlaat in het licht. In de spectrograaf valt het planeetlicht door een tralie, die het opbreekt in verschillende kleuren, waaronder de ‘kleuren’ van helium. „Helium is een ideale tracer voor atmosfeerverdamping: het is een licht en vluchtig element, gevoelig voor stralingsdruk. Ook kunnen we helium in exoplaneten vanaf het aardoppervlak observeren, omdat het in onze eigen atmosfeer niet voorkomt. Zo kunnen we met Night zien of een planeet een atmosfeer heeft en in welke mate die aan het verdampen is.”
Concurreren met grote telescopen
Wat Night bijzonder maakt, is de efficiëntie. Traditionele spectrografen halen maximaal 50 procent efficiëntie: slechts de helft van het licht dat de telescoop binnenkomt, wordt uitgemeten. Night haalt 85 procent en kan „concurreren met veel grotere telescopen, terwijl het instrument gemonteerd is op een telescoop met een kleine spiegel die minder licht opvangt”.
Farret Jentink was verantwoordelijk voor bijna alle aspecten van Night. Hij werkte de onderzoeksvraag uit, ontwierp het optische systeem, vroeg extra financiering aan, regelde de inkoop van materialen („in Montréal kochten we voor een prikkie een tweedehands infrarooddetector”) en coördineerde de bouw en het testen van het instrument in Genève. Normaal worden zulke projecten geleid door ervaren onderzoekers.
De laatste hand aan Night werd gelegd door een graffiti-artiest, die de vacuumtank een kleurig uiterlijk gaf – zeer ongebruikelijk in de witgrijze wereld van telescopen. In mei wordt de hele santenkraam in een bestelbus geladen en rijdt Farret Jentink met zijn team naar Zuid-Frankrijk. In het eerste jaar is het doel om 35 planeten waar te nemen, maar dat moeten er „honderden” worden. „Ik vind het heel spannend. Het moment van de waarheid komt als we de telescoop openzetten en de eerste spectra binnenkomen.”
