Dit is de eerste foto van een zonachtige ster met planeten

Voor het eerst hebben sterrenkundigen een rechtstreeks beeld kunnen maken van een planetensysteem rond een ster die ongeveer dezelfde massa heeft als de zon.

TYC 8998-760-1 is een ster die zich op iets meer dan driehonderd lichtjaar van ons bevindt. We noemen ze ‘zonachtig’ omdat ze precies dezelfde massa heeft als de zon. Binnen het onderzoek naar exoplaneten gaat er steevast speciale aandacht uit naar sterren die zoveel mogelijk op de zon lijken. Per slot van rekening is het de enige ster waarvan we zeker weten dat ze een planeet heeft waarop leven voorkomt. TYC 8998-760-1 is wel een piepjonge versie van de zon: amper 16,7 miljoen jaar tegenover de 4,5 miljard jaar van onze zon.

Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is heel zeldzaam

De meeste exoplaneten worden onrechtstreeks gedetecteerd, als een storing op de beweging van de ster of een periodieke dip in de hoeveelheid uitgestraald sterlicht. Maar als het even kan, neem je een exoplaneet toch liefst rechtstreeks waar. Dat lukt niet vaak, omdat het licht van een exoplaneet vele keren zwakker is dan het sterlicht. Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is al helemaal zeldzaam.

Je hebt er immers niet alleen een krachtige telescoop voor nodig, ook de configuratie van het planetenstelsel is van belang. In het bijzonder heb je reuzenplaneten nodig die voldoende ver van de moederster staan. Een groep sterrenkundigen, waaronder Maddalena Reggiani, postdoctoraal onderzoeker aan de KU Leuven, keek met de Very Large Telescope (Chili) en zag dat TYC 8998-760-1 aan die voorwaarden voldoet. De exoplaneten TYC 8998-760-1 b en TYC 8998-760-1 c hebben 14 respectievelijk 6 keer de massa van Jupiter en bevinden zich op een (geprojecteerde) afstand van 160 respectievelijk 320 keer de afstand aarde-zon.

De ster TYC 8998-760-1 en de twee reuzenplaneten die haar begeleiden. Credits: ESO/Bohn et al.

Reggiani: “Ons team is erin geslaagd het eerste beeld te maken van twee gasreuzen die rond een jonge, zonachtige ster draaien”. Op de afbeelding bevindt de moederster zich linksboven (de ringen errond zijn een optisch artefact), TYC 8998-760-1 b links van het midden en TYC 8998-760-1 c, te zien als een rode stip, rechtsonder.

Alexander Bohn (Universiteit Leiden), die de studie leidde, vult aan: “Deze ontdekking is een momentopname van een omgeving die sterk gelijkt op ons zonnestelsel, maar dan in een pril evolutiestadium”. Beide gasreuzen zijn een soort oversized versie van Jupiter en Saturnus. Of TYC 8998-760-1 nog andere planeten bevat, is nog even koffiedik kijken. Maar wie wat geduld heeft kan wachten op de opvolger van de Very Large Telescope, de Extremely Large Telescope, die vanaf 2025 met nog scherpere blik naar TYC 8998-760-1 kan kijken.

Bohn, Reggiani en de overige leden van het team publiceerden hun resultaten op 22 juli in The Astrophysical Journal Letters.

Is tijd niet continu, maar korrelig?

Wat is tijd? Die vraag is hetzelfde lot beschoren als zo veel filosofische vragen: de wetenschap heeft er intussen gretig beslag op gelegd. Natuurkundigen onderzoeken onder meer de structuur ervan: verloopt tijd continu of vertoont ze een korrelige structuur? In het laatste geval bedraagt een tijdkorrel volgens Amerikaanse theoretische fysici hooguit 10-33 seconden.

Tot in het begin van de twintigste eeuw betwijfelde niemand dat er zoiets als een absolute klok bestaat. Dat is wat je intuïtief verwacht. Op elke gebeurtenis die zich voordoet in het heelal moet je (minstens in principe) ondubbelzinnig en objectief een tijdstempel kunnen kleven.

Maar intuïtie kan een slechte raadgever zijn in de moderne natuurkunde. Ze berust op het gedrag van de werkelijkheid op onze schaal, maar de natuur durft al eens tegenvoets te pakken op andere schalen.

Vervormbare tijd

Dat hebben we geweten toen Einstein op het toneel verscheen. Eerst met de speciale, daarna de algemene relativiteitstheorie. Tijd blijkt relatief en vervormbaar. Snelheid en massa kunnen tijd uitrekken of indrukken alsof het een stukje plasticine is. Een tweeling waarvan de ene terugkeert na een ruimtereis in een supersnelle raket, is niet meer even oud als de achtergebleven andere.

En de relativiteitstheorie heeft intussen al zoveel testen met glans doorstaan dat er niet aan te ontkomen valt.

… of toch niet?

Hoe vreemd is het dan niet dat dat andere succesnummer uit de natuurwetenschap, de kwantumfysica, tijd wel overal en altijd aan hetzelfde tempo ziet wegtikken? Is tijd nu relatief en vervormbaar of absoluut en universeel?

Over één aspect van tijd lijken relativiteitstheorie en kwantumfysica het wel eens: tijd stroomt. Het is een continue grootheid die alle waarden aanneemt tijdens het verstrijken.

Maar intussen is ook dat niet meer zo zeker.

Incompatibele theorieën

De spanning tussen relativiteitstheorie en kwantumfysica gaat dieper dan de vraag naar de aard van tijd. Verwoede pogingen ten spijt, raakt Einsteins theorie over zwaartekracht niet ingepast in het Standaardmodel van elementaire deeltjes, dat voortbouwt op de kwantumfysica. Nochtans zijn de voorspellingen van elk van beide theorieën afzonderlijk respectievelijk al honderd en vijftig jaar lang stuk voor stuk met haast griezelige nauwkeurigheid bevestigd.

Theoretische natuurkundigen zoeken daarom al een hele poos naar een alternatief om kwantumtheorie en gravitatie te verzoenen. Een mogelijke sleutel hiertoe zou erin bestaan om uit te gaan van een gekwantiseerde ruimtetijd.

Tijd is dan niet langer continu. Er zou een kleinste tijdseenheid bestaan, een tijdkorrel. De tijd gedraagt zich daarbij als de fysische versie van een mechanische klok. Zoals een mechanische klok seconde na seconde wegtikt, zou ook de tijd telkens naar een volgende waarde verspringen, in plaats van continu te verglijden.

Hoe groot is een tijdkorrel?

Garrett Wendel, Luis Martínez and Martin Bojowald, theoretische natuurkundigen verbonden aan de Pennsylvania State University, hebben dit concept van korrelige tijd verder uitgewerkt in een model1. Ze behandelen de tijd net als andere grootheden in de hedendaagse fysica: als een alomtegenwoordig veld. Bojowald: ‘Net als bij voorbeeld het higgsveld, kan de fundamentele klok interageren met de materie in het heelal en daardoor fysische verschijnselen wijzigen’.

Samen met zijn collega’s modelleerde hij de universele klok als een oscillator, die hij in het model koppelt met een tweede oscillator, die je in het lab kan meten, zoals een atoomklok. Door de koppeling beginnen beide oscillatoren langzaam te desynchroniseren, een effect dat volgt uit de relativiteitstheorie. Het onderzoeksteam kon hieruit afleiden dat de periode van de universele klok zeker niet langer kan zijn dan 10-33 seconden.

Als tijdkorreltjes inderdaad zo klein zijn, en tijd dus zo snel verspringt, is het normaal dat wij niets van die korreligheid merken. Net zomin als we bij een film in de gaten hebben dat we naar een snelle opeenvolging van statische beelden kijken.

Hersenspinsel of werkelijkheid?

Vaak is het probleem met dit soort fundamenteel theoretisch onderzoek dat je onmogelijk empirisch kan testen of de theorie het niveau van hersenspinsel overstijgt en ook echt de werkelijkheid beschrijft.

Maar op dit punt is de aanpak van ons trio uit Pennsylvania veelbelovend. Op zich kan je een snel tikkende klok met een periode van 10-33 seconden niet bestuderen in een lab. Nu niet, morgen niet en overmorgen niet. Maar door te kijken naar het effect van desynchronisatie op een gekoppeld systeem dat je wel in het lab kan onderzoeken, zoals een atoomklok, zou je er onrechtreeks toch informatie over kunnen vergaren langs experimentele weg.

1. verder uitgewerkt in een model In Physical Review Letters, 19 juni 2020.