de vraag naar buitenaards leven houdt de mens reeds lang bezig. door de recente ontdekkingen van steeds meer exoplaneten is de hoop opnieuw toegenomen dat een vorm van leven op een andere planeet kan worden gevonden. die moet dan wel dezelfde gunstige omstandigheden kennen als de aarde om leven mogelijk te maken. en hoe kunnen we dan weten of er ook leven aanwezig is?
Exoplaneten en de zoektocht naar buitenaards leven
De vraag of er leven bestaat buiten onze Aarde heeft de mens altijd al beroerd en ons vaak ook aangezet tot een dieper denken over het leven zelf. Op dit moment kennen we slechts één type leven op één plaats. Nochtans neemt elke dag de hoop toe dat men eindelijk op een andere planeet een vorm van leven zal ontdekken. Die hoop wordt gevoed door het stijgende aantal exoplaneten dat wordt ontdekt, planeten die om andere sterren dan de Zon draaien. De eerste exoplaneet werd ontdekt in 1991 door Aleksander Wolszczan en Dale Frail. Zij interpreteerden de regelmatige verstoring in de pulsfrequentie van de pulsar PSR 1829-10 als een fenomeen dat werd veroorzaakt door twee exoplaneten op een afstand van 1 000 lichtjaar van onze Zon. Pas in 1995 werd ook bij een normale ster een (exo)planeet ontdekt. De astronomen Michel Mayor en Didier Queloz toonden toen het bestaan aan van een Jupiterachtige planeet die om de ster 51 Pegasi roteert. De ontdekking van die planeet, sindsdien gekend als 51 Pegasi b, geldt als een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de sterrenkunde.
Hoeveel exoplaneten zouden zich in ons melkwegstelsel bevinden? In februari 2011 beweerde astronoom William Borucki dat er minimaal vijftig miljard exoplaneten zijn. Dit hoge getal was het resultaat van een extrapolatie van de gegevens van de ruimtetelescoop Kepler. Sinds maart 2009 houdt die een klein gebied in de gaten in de noordelijke sterrenbeelden Zwaan, Lier en Draak, dat 156 543 sterren bevat. In februari 2011 vond men al 1 235 kandidaat-exoplaneten. Op basis van statistische gegevens denken de Keplerwetenschappers dat bij 44 % van die 156 543 sterren een exoplaneet ronddraait. Extrapolatie naar het aantal sterren in ons melkwegstelsel leidt dan tot ruwweg vijftig miljard exoplaneten. De kans is echter groot dat het daadwerkelijke aantal exoplaneten vele malen hoger ligt: zoals we weten uit ons eigen zonnestelsel kan rond een aantal sterren meer dan één planeet ronddraaien. De volgende vraag luidt dan: op hoeveel planeten heeft zich dan intelligent leven ontwikkeld?
In 1961 ontwikkelde de radioastronoom Frank Drake de zogenoemde ‘vergelijking van Drake’. Dit is een wiskundige formule die het aantal intelligente beschavingen schat in ons melkwegstelsel dat via radiosignalen met ons kan communiceren. De formule is gebaseerd op factoren zoals de gemiddelde snelheid waarmee sterren worden gevormd (tien tot veertig per jaar in ons melkwegstelsel), de fractie van die sterren die planeten heeft (na waarnemingen geschat op 50 %), het gemiddelde aantal aardachtige planeten (die in staat zijn om leven te herbergen), de fractie van die planeten die leven ontwikkelt, de fractie daarvan waar zich intelligent leven ontwikkelt (met technologie) en ten slotte de gemiddelde levensduur van de communicerende beschaving. De waarden van de meeste factoren zijn echter niet gekend: vooral de laatste vier factoren zorgen voor nogal wat speculaties. Zo variëren schattingen van planeten met leven tussen 0,0001 % en 100 %. Daarom is de waarde van de formule ook beperkt. Volgens sommigen echter leveren zelfs voorzichtige schattingen waarden op tussen 10 en 1 000 planeten met leven. Dit werd dan ook de drijfveer voor grote projecten zoals ‘SETI’ (Search for ExtraTerrestrial Intelligence). Critici van de formule vragen zich dan weer af waarom buitenaards leven zich nog niet kenbaar heeft gemaakt, als er dan toch zo veel intelligent leven in de Melkweg zit.
Het vinden van exoplaneten en het bestuderen van hun mogelijke atmosfeer is niet eenvoudig omdat ze zelf geen licht geven
Het vinden van exoplaneten en het bestuderen van hun mogelijke atmosfeer is niet eenvoudig omdat ze zelf geen licht geven. Bovendien zijn ze vaak klein in vergelijking met de ster waar ze omheen draaien. De vier belangrijkste methodes om ze te detecteren zijn de dopplermethode, de transitmethode, de pulsarfrequentiemethode en de gravitatielensmethode. De methode die gebruikt werd bij de ontdekking van 51 Pegasi b maakte gebruik van de wetten van de zwaartekracht. Een planeet wordt door de zwaartekracht van de moederster in de baan gehouden, maar ook de moederster ondervindt een beetje zwaartekracht van de planeet. Als de planeet zwaar genoeg is en dicht genoeg rondom de moederster beweegt, dan is de schommeling van de moederster meetbaar en kunnen we zien dat de moederster nu eens van de Aarde weg en dan weer naar de Aarde toe beweegt. Beweegt de ster naar ons toe, dan zorgt het dopplereffect ervoor dat we haar waarnemen met een blauwere kleur. Als de ster zich van ons weg beweegt, dan wordt haar kleur roder. Je kunt dit effect vergelijken met de sirene van een ziekenwagen die van toon verandert als hij naar je toe rijdt, voorbijkomt en dan weer wegrijdt.
De tweede methode, de transitmethode, werkt alleen als de baan van een planeet vanaf de Aarde gezien vóór zijn ster langskomt. Als dit gebeurt, zal de planeet eens per omwenteling een klein stukje van zijn ster afdekken. Bovendien zal het totale reflectielicht van ster en planeet iets zwakker zijn als de planeet zich achter de ster bevindt. Deze methode biedt heel wat mogelijkheden om bijvoorbeeld de samenstelling van de atmosfeer rondom een planeet te bestuderen, maar de technische capaciteiten van de spectrografen om dit alles te meten moeten heel groot zijn. Het contrast tussen de Aarde en de Zon bijvoorbeeld is ongeveer 10^-7 in het infrarood (rond 10 micrometer) en 10^-10 in het zichtbare licht van het elektromagnetische spectrum. Zoals al vermeld werden de eerste exoplaneten in 1991 ontdekt rondom een pulsar, dit is een ster die regelmatig elektromagnetische straling uitzendt. Een planeet rondom een pulsar zorgt voor een kleine afwijking in de regelmaat van de pulsen. Dit wordt de pulsarfrequentiemethode genoemd. De gravitatielensmethode ten slotte is de meest exotische manier om exoplaneten op te sporen. Ze maakt er gebruik van dat een ster die vóór een andere ster staat, het licht van die andere ster afbuigt met haar zwaartekracht. Door dit effect nauwkeurig te bestuderen kun je ook bepalen of de ster die het licht ombuigt, begeleid wordt door één of meerdere planeten. Met die methode kunnen ook relatief kleine planeten worden ontdekt.
Bij de zoektocht naar buitenaards leven is de ‘heilige graal’ de ontdekking van een tweelingzus van onze Aarde
Elk van de nieuw ontdekte exoplaneten krijgt zijn eigen naam. In de astronomie geldt de regel dat een exoplaneet de naam krijgt van de ster waar hij zich rond bevindt, met daarbij een letter die begint vanaf de ‘b’. De letters staan niet voor de plaats van de exoplaneet in het planetenstelsel maar geven de volgorde van de ontdekking weer. De eerste exoplaneet die werd ontdekt rondom de normale ster 51 Pegasi kreeg zo de naam 51 Pegasi b. Deze exoplaneet bevindt zich op vijftig lichtjaren van de Aarde en is wat men noemt een ‘hete Jupiter’. Die term wordt gebruikt bij exoplaneten die een vergelijkbare of zwaardere massa hebben dan de planeet Jupiter (1,899 1027 kg of ongeveer driehonderd keer de massa van de Aarde) en zich op een kleine afstand tot hun ster bevinden. Hierdoor bedraagt de omlooptijd van een hete Jupiter slechts enkele dagen. In ons zonnestelsel bevindt Jupiter zich op 5 AE van de Zon (AE staat voor Astronomische Eenheid, de afstand tussen de Aarde en de Zon, of zo’n 150 miljard km). Een hete Jupiter daarentegen bevindt zich op ongeveer 0.05 AE van zijn ster. Omdat het gaat om zware exoplaneten dichtbij hun moederster, is dit type relatief makkelijk te ontdekken, zowel met de dopplermethode als met de transitmethode. De warmste hete Jupiter tot nog toe gevonden is WASP 33b met een oppervlaktetemperatuur van 3200 graden. (Ter vergelijking: de Zon heeft een oppervlaktetemperatuur van 6000 graden Celsius.) Een hete Jupiter is natuurlijk maar één type exoplaneet. Bij de zoektocht naar buitenaards leven is de ‘heilige graal’ natuurlijk de ontdekking van een tweelingzus van onze Aarde. In juni 2005 werden er voor het eerst ‘superaardes’ ontdekt: exoplaneten met een massa van ongeveer vijfmaal de massa van de Aarde.
Gasreuzen zoals Jupiter en rotsachtige planeten zoals de Aarde hebben een andere vormingsgeschiedenis. Een pasgeboren ster bevindt zich in een schijf van gas en stof, een restant van de wolk van interstellair gas en stof waaruit de ster is ontstaan. In die schijf worden de nieuwe planeten gevormd. Kijken we naar ons eigen zonnestelsel, dan weten we dat de Zon is ontstaan vanuit een mengsel met 70 % waterstof, 28 % helium en 2 % metalen. (Astronomen noemen alle chemische elementen die niet waterstof of helium zijn een metaal.) Hoe verder materie zich van de moederster bevindt, hoe kouder het er is en hoe kleiner de snelheid van de atomen van de lichte gassen (waterstof en helium). Bovendien geldt ook dat hoe groter de massa van een planeet is, hoe groter de snelheid van een deeltje moet zijn om aan de zwaartekracht van de planeet te kunnen ontsnappen. Dit leidt ertoe dat alleen zware, koude planeten waterstof en helium (98 % van alle materie!) kunnen vasthouden en dus zwaar en gasachtig zijn. Planeten dicht bij de zon verliezen al hun waterstof en helium, en zijn dus licht en rotsachtig. De gasachtige planeten zijn ook veel groter dan de rotsachtige planeten.
Een vraag die astronomen in dit verband bezighoudt, is waarom de meeste Jupiterachtige exoplaneten zeer dicht bij hun moederster staan in vergelijking met ons zonnestelsel. Een eerste mogelijke verklaring is natuurlijk een selectie-effect: de massieve gasreuzen die zich dicht bij hun moederster bevinden, kunnen het makkelijkst worden gedetecteerd. Maar men denkt ook dat deze massieve gasvormige exoplaneten op een normale afstand ten opzichte van hun moederster worden gevormd en dan naar binnen toe migreren door uitwisseling van momentum met de omringende schijf. Een ster wordt immers gevormd door het ineenstorten van een roterende wolk van interstellaire materie. Bij dit vormingsproces zal zich een schijf van stof rondom de ster vormen, waaruit een planetenstelsel kan ontstaan. Het bestuderen van de afstand, massa, omloopperiode en excentriciteit van de honderden exoplaneten die nu al zijn ontdekt, zal ons leren hoe uniek de vormingsgeschiedenis van ons eigen zonnestelsel is.
Eén van de meest gekende hete Jupiters is HD209458b. Bij deze exoplaneet kunnen we de samenstelling van de atmosfeer analyseren omdat ze in de gezichtslijn van de Aarde vóór haar moederster passeert. Daardoor gaat het licht van de moederster doorheen de atmosferische gaslaag, waarbij de gassen van de planeetatmosfeer sommige kleuren van het sterlicht tegenhouden. Uit de analyse van die kleuren kan men dan kenmerken als samenstelling, temperatuur of druk bepalen. In 2001 werd de dampkring rondom deze exoplaneet bestudeerd, die zowel natrium als verbindingen met waterstof, koolstof en zuurstof bleek te bevatten. Bovendien is het de eerste exoplaneet waarbij waterdamp werd gevonden. Deze hete Jupiter heeft nog een andere bijzondere eigenschap: hij draait namelijk altijd met dezelfde kant in de richting van zijn moederster, net zoals onze Maan altijd met dezelfde kant naar de Aarde staat. De planeet staat heel dicht bij zijn moederster en de lichte kant wordt dan ook gloeiend heet, terwijl de koude kant veel donkerder is. Door het grote temperatuursverschil is er een constante stroom van gas van de hete naar de koele kant. In juni 2010 publiceerden Leidse astronomen een artikel waarin ze aantoonden dat het weerbeeld van HD209458b bepaald wordt door giftige superstormen: kolkende stormen van koolmonoxidegas stromen van de hete naar de koude kant van deze planeet, met snelheden tussen de 5 000 en 10 000 km/uur.
Opdat een planeet een leefbaar klimaat zou ontwikkelen, zijn de afstand tot de ster en de grootte van de ster cruciaal
Een volgende stap in de zoektocht naar leven bestaat uit het achterhalen of een exoplaneet zich in de ‘bewoonbare zone’ rond een ster bevindt. De bewoonbare zone wordt gedefinieerd als die zone waar het sterlicht intens genoeg is om vloeibaar water op het oppervlak van een aardachtige exoplaneet te hebben en te onderhouden, maar geen broeikaseffect creëert waarbij water wordt gedissocieerd en waterstof verloren gaat. Opdat een planeet een leefbaar klimaat zou ontwikkelen, zijn de afstand tot de ster en de grootte van de ster cruciaal. Voor het ontstaan van leven wordt aangenomen dat je een planeet nodig hebt die groot genoeg is om een atmosfeer vast te houden met haar zwaartekracht (de Maan is bijvoorbeeld te klein voor een atmosfeer) en klein genoeg om niet een planeet van gas te worden (zoals bijvoorbeeld Jupiter). Er moet voldoende vloeibaar water aanwezig zijn en het mag niet te koud en niet te heet zijn. Dit betekent dat de planeet niet te ver of niet te dicht bij de moederster mag staan. De zone waarin het precies goed is, wordt de leefbare zone of de ‘Goldilocks’-zone genoemd. Die laatste naam komt uit het sprookje van Goudlokje en de drie beren: voor Goudlokje moest de pap niet te heet, niet te koud, maar precies goed zijn. Een andere voorwaarde is dat de moederster niet te zwaar mag zijn: zwaardere sterren hebben namelijk een veel kortere levensduur, en leven moet de tijd hebben om te kunnen ontstaan. Dit zijn natuurlijk vele voorwaarden, maar men vermoedt dat er miljarden exoplaneten in ons melkwegstelsel zijn, zodat men wel kan geloven dat er ergens in het heelal een planeet rondzweeft met dezelfde gunstige omstandigheden voor het ontwikkelen van leven als onze eigen Aarde.
Het was lang niet duidelijk of die enkele planeten die gedetecteerd werden met een massa van minder dan tien aardmassa’s rotsachtige planeten, kleine gasplaneten of iets anders waren. In 2009 werd echter de eerste rotsachtige exoplaneet met de grootte van 1.75 keer de Aarde en een massa van 5-7 aardmassa’s gevonden. Een ander voorbeeld is een ontdekking door de Belgische astronoom Michael Gillon in mei 2011. Samen met zijn team vond hij een rotsachtige superaarde met 2.1 keer de grootte van onze Aarde. Deze nieuwe exoplaneet bevindt zich op 42 lichtjaren van de Aarde in het sterrenbeeld Cancer en heeft een massa van 8 aardmassa’s. Men denkt dat een significante fractie van de planeet bestaat uit ijs, misschien wel in de vorm van een massieve schil van waterijs bovenop een rotsachtige kern. Dit wakkert natuurlijk (opnieuw) de hoop aan op de ontdekking van buitenaards leven.
Eens een planeet ontdekt is met een kans op buitenaards leven, is de detectie van dat leven gebonden aan de ontdekking van een biosfeer rondom een exoplaneet. De aanwezigheid van bepaalde gassen in de atmosfeer kan ons namelijk vertellen of er lokale biologische activiteit aanwezig is. Men gaat ervan uit dat, zoals hier op aarde, het ontstaan van de eerste vormen van leven op een exoplaneet een (blijvende) voetafdruk zal nalaten in de chemische samenstelling van de atmosfeer van de planeet. Gassen zoals methaan en ozon worden normaal gezien snel vernietigd in een planeetatmosfeer en hun aanwezigheid wijst er dan ook op dat bepaalde processen deze gassen weer aanvullen. Voor een planeet in de leefbare zone wordt gedacht dat de aanwezigheid van CO2, H2O en O3, of van CH4 en O3, of N2O in bepaalde verhoudingen kunnen wijzen op de processen die aanleiding kunnen geven tot leven. Men moet dus eerst een duidelijk beeld hebben van de chemische elementen en hun relatieve samenstelling en kijken wat kan worden verklaard door abiotische, geologische, fotofysische of fotochemische effecten. Pas dan kan men gaan zoeken naar specifieke sporen die bijvoorbeeld wijzen op biologische activiteit zoals fotosynthese op het planeetoppervlak.
En als er buitenaards leven bestaat, kunnen we dan contact maken met dit leven? Dit is één van de factoren van de vergelijking van Drake. Hierbij moeten we stilstaan bij de betekenis van de niet-detectie van buitenaardse radiogolven in het kader van het SETI-project. Na een zoektocht die meer dan veertig jaar duurde, werd in april 2011 de geldkraan van dit grootse project dichtgedraaid. Het is onduidelijk of de zoektocht naar buitenaards leven ooit nog zal worden hervat. Momenteel kunnen we niet besluiten of deze niet-detectie erop wijst dat er geen buitenaards intelligent leven is, dan wel dat buitenaardse leven niet via radio- of lichtsignalen communiceert. Maar het antwoord op die vraag kan alleen worden gegeven in het geval buitenaards leven wordt gedetecteerd. Leven op Aarde bestaat al verschillende miljard jaren. Het menselijke leven bestaat wellicht reeds verscheidene miljoenen jaren. Toch is de mens pas de laatste honderd jaar in staat om signalen naar de sterren te sturen. Bovendien worden radio- en tv-signalen nu meer en meer vervangen door directe transmissies, nauwe signalenbundels en kabels. De implicatie hiervan kan zijn dat signalen van buitenaards intelligent leven alleen kunnen worden gedetecteerd gedurende een heel korte periode in de evolutie van een beschaving.
Bij het zoeken naar buitenaards leven moeten we ons eigenlijk eerst de vraag stellen naar de definitie van ‘leven’. Hierbij kunnen we ons alleen baseren op het enige voorbeeld dat we tot nu kennen: het aardse leven. De criteria voor leven zijn volgens biologen autoreproductie (reproductie van identieke organismes), evolutie door mutaties, en zelfregularisatie ten opzichte van de omgeving (wat de groei en overlevingsmogelijkheden van een individuele vorm van leven verzekert). Zowel koolstof als vloeibaar water worden gezien als een conditio sine qua non bij de ontwikkeling van het (aardse) leven. Al het leven op Aarde is opgebouwd uit zes scheikundige elementen: waterstof, koolstof, stikstof, fosfor, zwavel en zuurstof. De verrassing was dan ook groot toen in december 2010 de (soms omstreden) ontdekking werd aangekondigd door de NASA van een uitzonderlijk micro-organisme in het giftige Monomeer in Californië. Het organisme blijft in leven door het eten van zeer giftig arsenicum. Die vondst bewijst dat het mogelijk is dat een organisme een cruciaal element door een ander element vervangt. Het (buiten)aardse leven kan dus veel flexibeler zijn dan gedacht. En als het leven op aarde meer flexibel is dan gedacht, dan heeft dit zeker implicaties voor de zoektocht naar buitenaards leven. Eigenlijk blijft er nog één vraag over: zal de fantasie van het leven die van de mens overtreffen?
Sara Seager, Exoplanet Atmospheres: Physical Processes. (Princeton: Princeton University Press, 2010).
Leen Decin is als sterrenkundige verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License