Wat een regenboog nodig heeft
Een regenboog heeft veel vloeibare druppels nodig die direct worden belicht. Licht dat zo’n druppel binnenkomt, wordt gebroken, binnenin de druppel weerkaatst en opnieuw gebroken wanneer het de druppel verlaat. Omdat de brekingsindex van de vloeistof een beetje afhangt van de golflengte, wordt het uittredende licht gescheiden in kleuren. Op aarde gebeurt dit meestal in waterdruppels die door de zon worden belicht.
Dit mechanisme werkt niet alleen met water. Als de druppels uit een andere vloeistof bestaan, verandert de hoek van de regenboog. Op Titan, een maan van Saturnus, kan vloeibaar methaan als regen vallen. Methaan heeft een lagere brekingsindex dan water, waardoor een methaanregenboog op een grotere hoekafstand van het punt tegenover de zon zou verschijnen dan een aardse regenboog. Venus is weer anders: de wolkendruppels bestaan daar vooral uit zwavelzuuroplossing. Zulke druppels hebben een hogere brekingsindex, waardoor de bijbehorende boog naar kleinere hoeken zou verschuiven. Ook de kleurscheiding zou anders zijn, omdat dispersie afhangt van de vloeistof en van het golflengtegebied van het invallende licht.
Waarom Titan en Venus waarschijnlijk geen vertrouwde regenbogen laten zien
De belangrijkste beperking is direct licht. Op Titan wordt zichtbaar zonlicht sterk verzwakt en verstrooid door de dichte nevel. Op Venus zou een waarnemer onder het dikke wolkendek door de ondoorzichtige wolken erboven van direct zonlicht worden afgeschermd. Daardoor is een vertrouwde regenboog aan de hemel onwaarschijnlijk, ook al zijn er geschikte vloeibare regendruppels aanwezig.
Regenbogen op exoplaneten
Voor exoplaneten geldt dezelfde natuurkunde. Planeten rond andere sterren zouden daarom regenbogen kunnen hebben als ze vloeibare regendruppels hebben die direct door hun moederster worden belicht. De kleuren kunnen anders zijn dan op aarde, bijvoorbeeld als de ster heter en blauwer is dan de zon, of juist koeler en roder.
Het waarnemen van zulke regenbogen is veel moeilijker. Met de volgende generaties telescopen zal een exoplaneet worden gemeten als één heel klein lichtpuntje, zonder ruimtelijke resolutie over de planeetschijf. Zelfs als een telescoop in de verre toekomst zo’n planeet ruimtelijk zou kunnen oplossen, zouden de kijkrichtingen naar verschillende punten op de planeet voor een verre waarnemer nog steeds bijna hetzelfde zijn. We zouden daarom geen lokale kleurrijke boog zien zoals een regenboog aan de aardse hemel. Bovendien zal gewone regen vaak onder wolken vallen, waardoor de regendruppels vanaf de ruimte gedeeltelijk of volledig verborgen blijven achter het wolkendek erboven.
Zoeken naar wolkenbogen op exoplaneten
Wolkenbogen zijn kansrijker dan regenbogen voor exoplaneetwaarnemingen. Een wolkenboog ontstaat bij druppels aan de bovenkant van wolken. Die druppels kunnen direct door de moederster worden belicht en zijn vanaf de ruimte zichtbaar. Wolkendruppels zijn veel kleiner dan regendruppels, waardoor de kleurbanden sterk overlappen en de wolkenboog wit lijkt. Wanneer een wolkenboog als boog wordt waargenomen, kan polarisatie de anders zwakke kleurscheiding makkelijker meetbaar maken.
Bij exoplaneten kunnen wolkenbogen, net als regenbogen, niet als boogvormige verschijnselen worden gezien. In plaats daarvan zoeken we naar een piek in het polarisatiesignaal van gereflecteerd sterlicht bij een bepaalde fasehoek, terwijl de planeet langs haar baan beweegt. De fasehoek is de hoek tussen de waarnemer, de planeet en de moederster. De positie en vorm van deze piek kunnen ons iets vertellen over welke vloeistof er in de wolken zit en hoe groot de druppels zijn. We weten van planeten in ons eigen zonnestelsel dat deze methode kan werken: al in 1974 lieten polarisatiemetingen van Venus als geheel, bij verschillende fasehoeken, zien dat de wolken van Venus uit kleine zwavelzuurdruppels bestaan.
Hier raakt de natuurkunde van wolkenbogen aan mijn onderzoek. De totale helderheid en, nog sterker, de polarisatie van gereflecteerd licht bevatten informatie over de grootte, samenstelling en vorm van wolkendruppels. Door zulke verstrooiingskenmerken te meten in het licht van een exoplaneet, kunnen we misschien ooit wolken van vloeibaar water vinden op verre werelden.