Binnenkort wordt CHEOPS gelanceerd, een Europese satelliet die de diameter van exoplaneten gaat meten en zo kan onthullen waar ze van gemaakt zijn.

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het blad ZENIT, waarin je elke maand alles kunt lezen over sterrenkunde, weerkunde en ruimteonderzoek.

CHEOPS (CHaracterizing ExOPlanet Satellite) is de eerste van een serie kleine satellieten van het Cosmic Vision 2015-2025 Programma van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. De satelliet is een samenwerkingsverband van de ESA en het Swiss Space Office. Hij werd in oktober 2012 gekozen uit 26 voorstellen voor deze nieuwe klasse van kleine ruimteprojecten en kreeg in februari 2014 officieel het groene licht. De lancering zou eind 2017 moeten plaatsvinden, maar dat is met twee jaar opgeschoven. Binnenkort gaat CHEOPS dus echt de lucht in. Een goede reden om eens te kijken wat we van deze kleine satelliet mogen verwachten!


Impressie van CHEOPS in zijn polaire, zonsynchrone baan rond de aarde. De telescoop is hier nog met een veiligheidsklep afgesloten. Afbeelding: ESA / ATG medialab.

Superaardes en mini-Neptunussen
Het belangrijkste doel van CHEOPS is het nauwkeurig meten van de diameter van kleine exoplaneten waarvan de massa al eerder met behulp van metingen vanaf de aarde is bepaald. Het gaat hierbij vooral om exoplaneten die kleiner zijn dan Neptunus en in minder dan twee maanden om heldere sterren draaien. Spectroscopische surveys hebben in de afgelopen jaren honderden sterren met planeten in het massagebied tussen de aarde en Neptunus aan het licht gebracht. De aanwezigheid van zulke superaardes of mini-Neptunussen is afgeleid uit een kleine, periodieke variatie in de snelheid van de betreffende ster langs de waarnemingsrichting, de radiële snelheid. Die variatie ontstaat doordat de zwaartekracht van zo’n planeet de ster een heel klein beetje heen en weer trekt en verraadt zich door een periodieke verschuiving van de lijnen in het spectrum van de ster als gevolg van het dopplereffect. De eigenschappen van de sterren waar het hier om gaat, zoals hun relatief grote helderheid en geringe activiteit, maken hen ideale doelen voor nauwkeurige helderheidsmetingen vanuit de ruimte.

CHEOPS is ontworpen om nauwkeurig de overgangen van zulke planeten over het sterschijfje te meten. Op het moment dat de planeet vóór het schijfje schuift, neemt de helderheid van het sterlicht een heel klein beetje af. En als de planeet het schijfje verlaat, neemt die helderheid weer met hetzelfde beetje toe. Uit de duur van zo’n planeetovergang kan nauwkeurig de schijnbare diameter van de planeet worden afgeleid en – als de afstand van de ster bekend is – ook de werkelijke diameter. Door deze te combineren met de al uit eerdere metingen geschatte massa van de planeet levert dat de gemiddelde dichtheid op. Die zegt op zijn beurt weer iets over de structuur en samenstelling van de planeet, bijvoorbeeld uit hoeveel gesteenten en/of gas hij bestaat en op welke manier hij kan zijn ontstaan en geëvolueerd. CHEOPS zal ook planeten met een atmosfeer kunnen opsporen en zelfs de verandering van de baan van exoplaneten tijdens en na hun ontstaan bestuderen.



Voorbeeld van het verloop van de helderheid van een ster tijdens de overgang van een planeet. De planeten die CHEOPS volgt zijn ten opzichte van de hier afgebeelde ster (de zon) meestal een stuk kleiner dan het hier weergegeven planeetschijfje. Afbeelding: EarthSky.
Ultragevoelige fotometer

CHEOPS beschikt over slechts één instrument, een Ritchey-Chrétien-telescoop met een vrije opening van 30 centimeter. In het brandvlak van de telescoop bevindt zich een ultragevoelige fotometer met een CCD-detector die in zichtbaar licht en het nabij-infrarood werkt. De detector zit niet precies in het brandpunt, zodat het sterlicht op meerdere pixels valt. Om de ruis van de detector zo klein mogelijk te houden, wordt hij gekoeld tot een temperatuur van 40 graden onder nul en wordt die temperatuur tot op een honderdste graad constant gehouden. De koeling gebeurt passief, doordat de detector is verbonden met een radiator die zijn warmte constant de ruimte in straalt. Overigens is de gehele telescoop thermisch van de rest van de satelliet geïsoleerd.


Verschillende aanzichten en doorsneden van de telescoop van CHEOPS, met steeds aan de rechterkant de Sensor Electronics Module, ofwel het detectorhuis. Hierin wordt met een ultragevoelige fotometer de helderheid van de betreffende ster gemeten. Afbeelding: CHEOPS Instrument Consortium.

Het sterlicht dat in een telescoop op aarde wordt opgevangen heeft eerst de dampkring doorlopen en fluctueert daardoor een beetje, het bekende flonkeren of scintilleren. Ruimtetelescopen zoals CHEOPS hebben daar geen last van, maar ook vanuit de ruimte is het sterlicht niet honderd procent stabiel. Dat komt door het verschijnsel dat fotonenruis wordt genoemd en betrekking heeft op de inherent natuurlijke variaties in de fotonenflux die op een detector valt. Het effect hangt rechtstreeks samen met het aantal fotonen en daardoor speelt het bij heldere sterren een kleinere rol dan bij zwakkere. De ontwerpers van CHEOPS hebben berekend dat het ondanks dit verschijnsel mogelijk moet zijn om bij een ster van de negende grootte nog de overgang van een planeet van het formaat van de aarde waar te nemen.
Zwitserse precisie

De telescoop van CHEOPS is gemonteerd op een zeshoekig standaard-platform dat het bedrijf ASE al meerdere malen heeft gebouwd voor kleine en middelgrote satellieten die op relatief geringe hoogte rond de aarde draaien. Dit platform kan gedurende een tien uur durende waarnemingsperiode tot op beter dan 4 boogseconden nauwkeurig op een ster worden gericht. Een kokervormig scherm vóór de telescoop voorkomt strooilicht bij invalshoeken groter dan 35 graden ten opzichte van de waarnemingsrichting, terwijl de drie vlakke schermen rond het platform de telescoop tegen de directe straling van de zon beschermen. Op deze schermen zitten ook de zonnepanelen die de accu’s van energie voorzien. De standregeling van het platform c.q. telescoop vindt plaats met behulp van reactiewielen, magnetometers en stervolgers. Deze laatste zijn op de telescoop zelf gemonteerd om afwijkingen als gevolg van thermo-elastische verstoringen zo klein mogelijk te houden. De vier kleine stuwraketjes zijn op het platform gemonteerd, evenals de tank met 30 liter hydrazine die deze raketjes van stuwstof voorzien. De raketjes leveren een stuwkracht van één newton en worden ook gebruikt om de satelliet aan het einde van zijn missie – die 3,5 jaar duurt – uit zijn omloopbaan richting dampkring te sturen en daarin te laten verbranden. Dat zijn de huidige regels om de groei van de hoeveelheid ruimtepuin af te remmen, hoewel die niet door iedereen worden nageleefd.

De baan van Cheops
CHEOPS meet ongeveer 1,5 × 1,5 × 1,5 meter en heeft op aarde een gewicht van bijna 300 kilo. Hij wordt nog dit jaar tegelijk met een tweede satelliet – de Italiaanse radarsatelliet CG1 – met een Soyuz 2.1b-raket vanaf de Europese basis in Kourou, Frans-Guyana, gelanceerd. CHEOPS komt uiteindelijk in een zonsynchrone baan op een hoogte van 700 kilometer rond de polen. Het baanvlak van de satelliet moet dan vrijwel samenvallen met het vlak van de terminator, de grens tussen dag en nacht, zodat de satelliet ononderbroken de sterren kan waarnemen, en temperatuurvariaties en de invloed van het strooilicht in de telescoop zo klein mogelijk blijven.

De waarnemingen van CHEOPS worden gepland in het Science Operations Centre in Genève en vanuit het Mission Operations Centre in Torrejón de Ardoz, nabij Madrid, aan de satelliet opgedragen. Daar en ook in het nabijgelegen Villefranca staan de schotelantennes die het contact met de satelliet onderhouden. Twintig procent van de waarnemingstijd van CHEOPS mag door gastwaarnemers worden gebruikt voor metingen aan sterren die niet op de huidige, van te voren samengestelde waarneemlijst staan.

Bron: scientias.nl