Aan het licht dat een exoplaneet uitzendt kan je zien of de exoplaneet leven bevat of niet. Hoe? Check deze poster.
De mensen van New Scientist hebben een poster samengesteld met daarop de belangrijkste signalen waarmee is vast te stellen of een exoplaneet leven bevat. Het zwakke licht van een verre exoplaneet analyseren klinkt nu nog als science fiction, maar is in enkele gevallen al gelukt. Uit dit licht is af te leiden welke gassen in de atmosfeer voorkomen. Astronomen zijn al druk aan het speculeren over welke moleculen een teken van leven zijn en welke juist een teken dat er geen leven is. Welke tekens? Klik op de afbeelding voor een vergroting. Pas op: grote afbeelding.
Woestijnplaneten, die veel weg hebben van de planeet Arrakis in de science fiction klassieker Duin, of Tatouine uit de Star Wars-cyclus, zijn waarschijnlijk het meest voorkomende type bewoonbare planeet in de Melkweg, aldus onderzoekers. Ook was Venus volgens hun onderzoek slechts één miljard jaar geleden nog een bewoonbare woestijnplaneet. En loopt het voor de aarde minder akelig af dan tot nu toe vermoed.
Zonder water geen leven
Water is absoluut noodzakelijk voor leven. De zoektocht naar leven elders in het universum heeft zich grotendeels geconcentreerd op waterrijke oceaanwerelden met heel veel vloeibaar water op hun oppervlak. Je kan dan denken aan grotendeels met een oceaan overdekte planeten, zoals de aarde, of nog nooit aangetroffen planeten met een honderden kilometers dikke laag water. Een soort ontdooide versie van Jupiters ijsmanen Ganymedes en Europa, zeg maar.
Om bewoonbaar te zijn moeten planeten zich in een “Goudlokjeszone” bevinden, genoemd naar de hoofdpersoon in een sprookje die haar pap niet te heet of te koud wilde. Te ver van de zon verandert een planeet in een ijsbal, zoals de manen van Jupiter. Te dicht bij de zon verandert een planeet in een verschroeiende hel zoals Venus of de door de zon geblakerde Mercurius. Te dicht bij de zon verdampt er zoveel water dat er een zeer sterk broeikaseffect ontstaat. De waterdamp valt door de zonnestraling uiteen in waterstof en zuurstof. Waterstof is te licht om vastgehouden te worden door de planeet, de zuurstof reageert met de koolstof in de korst tot kooldioxide of wordt opgeslokt door het ijzer, silicium en aluminium in de korst.
Woestijnplaneet Arrakis blijkt vaker voor te komen dan voor mogelijk werd gehouden
De onderzoekers werden geïnspireerd door Dune, het door science fiction schrijver Frank Herberts bedachte epos. Hierin terroriseren honderden meters lange zandwormen een woestijn zo groot als een planeet en produceren de in Herberts fictionele universum zeer gewilde specie, een goedje dat telepathische vermogens opwekt en het leven verlengt. Planetoloog Kevin Zahnle noemt Arrakis een buitengewoon goed uitgewerkt voorbeeld van een woestijnplaneet. Op Arrakis, in feite een warmere en grotere versie van Mars, zijn alleen de polen leefbaar met misschien hier en daar een kleine oase.
Heeft de eerste ontdekte bewoonbare exoplaneet meer weg van Arrakis dan van de aarde?
De bewoonbare zone in ons zonnestelsel, vergeleken met die van het rode-dwergsterretje Gliese 581 is op de afbeelding rechts te vinden.
Volgens de onderzoekers zorgt de schaarste van water op een woestijnplaneet, dat deze minder kieskeurig is wat betreft de afstand tot de ster dan een waterrijk lustoord. Een landplaneet heeft bijvoorbeeld minder water dat kan bevriezen tot ijs of sneeuw, die zonlicht terugkaatst. Inderdaad is dit een berucht effect van grote ijsmassa’s en de reden dat ijstijden zo lang duren. Volgens de onderzoekers absorbeert de bodem van de planeet meer zonnehitte en maakt dit ook koudere regionen dan anders nog leefbaar. Het gebrek aan waterdamp betekent ook dat dit krachtige broeikasgas ontbreekt en dus in theorie minder hitte vast houdt. Dit sluit volgens de onderzoekers uit dat zich een broeikaseffect ontwikkelt. Ook betekent minder waterdamp ook minder water dat door UV-straling in waterstof en zuurstof gesplitst kan worden.
In hun model gingen Yutaka Abe van de Universiteit van Tokyo met Zahnle en hun collega’s aan het rekenen met een aantal simpele driedimensionele klimaatmodellen voor aardachtige planeten. Voor hun simulaties van landplaneten lieten ze de aardse daglengte, luchtdruk en kooldioxidegehaltes onveranderd, maar verwijderden oceanen en plantengroei. Alleen grondwater diep onder de grond bleef behouden. Een verrassende uitkomst: de bewoonbare zone voor een landplaneet is maar liefst drie keer groter dan die voor een oceaanplaneet. Hun conclusie: de eerste bewoonbare exo-aarde die we vinden zou wel eens meer weg kunnen hebben van een bovenmaatse woestijn dan van de Stille Oceaan.
Hoewel er op een woestijnplaneet onvoldoende te eten is voor zandwormen, kloppen veel van Herberts voorspellingen over woestijnplaneten wel aardig.
Woestijnplaneet blijft in veel groter gebied leefbaar
Ze ontdekten ook dat een waterplaneet in een ijsbal verandert als de hoeveelheid zonlicht onder de 72% tot 90% van dat van de aarde vermindert (afhankelijk van de stand van de draaias). Landplaneten bleken veel beter bestand tegen bevriezing. Pas als de hoeveelheid zonlicht daalde onder de 58% tot 77%, bevroor de woestijnwereld. Dit effect rekte de bewoonbare zone enorm uit. Als een woestijn-aarde zich op de plek van Mars had bevonden, met 44% van de aardse hoeveelheid zonnestraling, was de planeet met een wat sterker broeikaseffect dan hier, nog bewoonbaar geweest.
Woestijnplaneten blijken, wat minder verrassend wellicht, ook beter bestand tegen veel zon dan waterplaneten. Als de hoeveelheid zonlicht met 35% toeneemt is een waterplaneet zoals de aarde reddeloos verloren. Daarentegen kan de hoeveelheid zonlicht toenemen tot 170% van de aardse waarde, voor er geen plaats meer is waar vloeibaar water kan bestaan.
Zahnle denkt echter dat deze woestijnplaneten toch op de nodige punten verschillen van Arrakis. Zo zouden de poolstreken op een woestijnplaneet aanmerkelijk leefbaarder zijn dan op Arrakis – kleine stroompjes, meertjes en dergelijke zouden veel voorkomen. De planeten zijn te ontdekken door te letten op hun vrije-zuurstofgehalte. Water komt op veel plaatsen in het universum voor, dus is minder geschikt om leven te vinden, stelt Zahnle. Hij denkt daarom dat er eerder bewoonbare woestijnplaneten worden gevonden dan waterwerelden. De woestijnplaneten kunnen dichter bij de centrale ster staan, waardoor ze die eerder laten schommelen of voor de ster langs bewegen en zo sneller worden ontdekt.
Wordt de aarde een woestijnwereld?
Volgens onderzoekers zal ook de aarde zelf in een woestijnwereld veranderen. Elke miljard jaar wordt de zon negen procent helderder. De zonnestraling zal uiteindelijk het vloeibare water op de planeet splitsen in waterstof en zuurstof. De onderzoekers hebben echter een opwekkend bericht. De aarde blijft veel langer bewoonbaar dan gedacht. Waarschijnlijk zal de aarde aan het rampzalige broeikaseffect kunnen ontsnappen dat Venus in een hel veranderde. ‘Slechts’ een derde van de oceanen zal wegkoken voordat de zon in een rode reus verandert.
Was Venus ooit bewoonbaar?
Volgens de berekeningen van de wetenschappers is het antwoord hierop ja. Ze gingen er hierbij van uit dat Venus ooit over oceanen beschikte – waar het extreem hoge gehalte aan deuterium in het zwavelzuur in de atmosfeer van Venus inderdaad op wijst. Volgens de onderzoekers ging Venus door een periode waarin de planeet droog was, maar bewoonbaar.Venus kon zelfs tot een miljard jaar geleden een leefbare woestijnplaneet zijn geweest met vochtige polen en een geblakerde evenaar. Zijn we net een miljard jaar te laat geëvolueerd om Venus te koloniseren?
Lang hebben astronomen meteorieten bestudeerd die afkomstig zijn van de maan of van Mars. Deze kwamen vrij als gevolg van zware inslagen op deze hemellichamen. Uiteraard zijn er op aarde ook dergelijke zware inslagen geweest. Zou de aarde andere planeten hebben ingezaaid met leven? Of zelfs exoplaneten?
Hoeveel overblijfselen van meteorietinslagen op aarde zouden er nu door het zonnestelsel – of nog verder – zwerven? Verschillende astronomen hebben hierop hun simulatieprogramma’s en/of berekeningen op los gelaten en hebben bestudeerd wat er gebeurt als een meteoriet formaat-Chicxulub (de dinosaurusdoder) een regen van aards puin rondstrooit. Wie weet heeft de asteroïde die de dino’s doodde, leven gebracht op een verre wereld.
Hun voorlopige conclusie tot nu toe: het is relatief gemakkelijk voor brokstukken van de aarde om de maan of de binnenplaneet Venus (of de mogelijk waterijs bevattende polen van Mercurius) te bereiken. Volgens hun berekeningen zal echter maar weinig Chicxulub-puin op Mars of nog verder het zonnestelsel in terecht zijn gekomen omdat zowel de zwaartekracht van de aarde als van de zon overwonnen moet worden.
Zou de enorme inslag die de dinosauriërs wegvaagde ook het aardse leven naar andere planeten of zelfs zonnestelsels hebben verspreid?
Deeltjes veel verder verspreid dan tot nu toe gedacht
Mauricio Reyes-Ruiz van de Universidad Nacional Autonoma de Mexico en enkele collega’s hebben nu de grootste computersimulatie ooit van de gevolgen van een inslag op aarde uitgevoerd. Meer dan tienduizend testdeeltjes worden vanaf de aarde in de rest van het zonnestelsel rondgestrooid. Ze hebben de simulatie vijf keer herhaald, steeds met hogere impactsnelheden van de asteroïde.
Met verrassende uitkomsten.
Zo blijken er ongeveer honderd maal meer deeltjes op Mars terecht te komen dan tot nu toe gedacht. En de grootste verrassing: bij hoge snelheden is de kans dat de deeltjes op Jupiter terecht komen veel groter dan op Mars. En, zoals bekend, heeft Jupiter enkele ijsmanen met een oceaan onder een kilometers dikke laag ijs. De gedachte is adembenemend. Zouden aardse bacteriën de oversteek naar de gastvrije oceanen van Europa gemaakt kunnen hebben? Dit laatste hebben de Mexicanen onderzocht. Ze hebben de simulatie tot 30 000 jaar na de inslag voortgezet – volgens veel astrobiologen de maximale tijd dat aardse levensvormen in de ruimte kunnen overleven.
Er is alleen één maar. Er is alleen bekend hoeveel deeltjes Jupiter bereikt hebben. Niet hoeveel brokstukken de ijsrijke manen Ganymedes, Callisto of Europa hebben bereikt. Overigens zouden bepaalde bacteriën het mogelijk ook op Jupiter zelf kunnen uithouden. Jupiter kent atmosferische lagen waarin waterdruppeltjes voorkomen en op aarde zijn bacteriesoorten bekend die hun leven in de wolken doorbrengen. Vooral als een poreus, weinig massief brokstuk op de gasreus zou belanden zou het in kleine stukjes uit elkaar kunnen vallen en zo de gasreus kunnen inzaaien.
‘Aards leven onderweg naar de sterren’
En hierna – letterlijk- de grootste verrassing. Naar blijkt, verlaat een groot deel van alle deeltjes het zonnestelsel geheel. meer deeltjes komen in de interstellaire ruimte terecht dan op alle planeten gezamenlijk, inclusief de aarde zelf. Als zeer taaie organismen als bacteriën of beerdiertjes de onbarmhartige omstandigheden -denk aan de sterke straling – in de interstellaire ruimte langer kunnen verdragen dan astrobiologen denken, zou het leven op aarde zelfs onderweg kunnen zijn naar andere sterren. Al eerder hebben wetenschappers het idee geopperd om een grote wolk met bacteriën gevulde microruimtescheepjes richting sterren te sturen om zo, als we de aarde door een of andere stommiteit opblazen, we in ieder geval andere, intelligentere wezens laten ontstaan die niet zo stom zijn als wij. Wie weet is Moeder Natuur ons wel voor geweest en is het backup-plan voor het leven nu in volle gang.
Of, mutatis mutandis, uiteraard: het leven op aarde afkomstig kunnen zijn van andere zonnestelsels dan dat van ons. Het heelal is meer dan dertien miljard jaar oud. Onze aarde is 4,6 miljard jaar oud. Uit astronomische waarnemingen is bekend dat zelfs in sommige zeer jonge melkwegstelsels al grote hoeveelheden water, alsmede koolstof, zuurstof, stikstof en dergelijke voorkwamen – noodzakelijk om leven te doen ontstaan.
De ruimte zou wel eens heel wat minder doods kunnen zijn dan deze lijkt.
We dachten dat het indelen van planeten makkelijk was. Er zijn kleine, rotsachtige planeten zoals de Aarde en Mars. Dan zijn er de gigantische gasreuzen en ijsreuzen, zoals Jupiter en Uranus. Zo is het in ons zonnestelsel tenminste ‘geregeld’. Naar nu blijkt, is dat een uitzondering. Er bestaat een derde klasse van planeten: de superaardes, die de massa van een ijsreus hebben, maar helemaal opgebouwd zijn uit vast materiaal.
Hete Jupiters (het puntje in het midden van de donkere kloof) worden naar binnen gezogen door zwaartekrachtsinteracties met de nevel binnen (die ze vervolgens opslokken). Maar hoe zit het met superaardes?
Zonnestelsel is uitzondering
Astronomen hebben zich lang afgevraagd waarom sommige planeten zich ontwikkelden tot rotsklompen en andere veranderden in een gasreus. In de gangbare theorieën had dit het een en ander te maken met de afstand tot de zon. De eerste gasreus, Jupiter, bevindt zich op een plek waar het zo koud is dat waterstof niet wegkookt uit de atmosfeer. Maar toch. Waarom bestaan er in het zonnestelsel geen planeten die half gasreus, half aardachtige planeet zijn? Tenzij je Venus zo ziet, misschien.
Astronomen hoeven zich deze vraag niet meer te stellen. Nu er steeds meer exoplaneten opduiken, wordt steeds duidelijker dat ons zonnestelsel een uitzondering is. In veel exo-zonnestelsels banjeren monsterachtig grote “hete Jupiters” op zeer korte afstand van hun moederster rond. Dit is overigens ook de reden waarom ze zo makkelijk konden worden ontdekt: ze laten daardoor de bijbehorende ster flink schommelen.
Superaardes
Ook een tweede, onverwachte nieuwe klasse planeet dook op. Aardachtige planeten, maar dan met een massa zo groot als die van ijsreuzen als Uranus of Neptunus. Onmogelijk, volgens gangbare astronomische modellen. Deze planeten zijn immers zo zwaar, dat ze waterstof en helium opslokken tot ze veranderen in een gasreus. Desondanks duikt de ene superaarde na de andere op. Uit sterbedekkingen weten we dat ze compact zijn, dus een hoge dichtheid hebben en geen extreem dichte atmosfeer. De vraag blijft uiteraard: waar komen deze superaardes vandaan? Waardoor zijn ze niet veranderd in gasreuzen? En misschien wel de belangrijkste vraag: waarom is er geen superaarde in ons zonnestelsel, bijvoorbeeld op de plek van Mars? Ons zonnestelsel blijkt steeds uitzonderlijker dan eerder gedacht.
Hoe kunnen deze superaardes zich vormen?
Haghighipour beschrijft in zijn artikel de verwarring op dit moment onder planetologen. Het is makkelijk om gasreuzen te verklaren – gasreuzen vormen zich uit lokale verdichtingen en als twee gasreuzen (of een gasreus en een aardachtige planeet) botsen, slokken ze elkaar op. Het is ook makkelijk om te verklaren hoe kleine stofjes aaneensinteren tot objecten van ongeveer een centimeter. De grote problemen zitten hem in de groei van een grootte van een knikker tot de grootte van een maan. Planetoïden, bijvoorbeeld, worden nu steeds kleiner door botsingen. Maar misschien worden sommige proto-gasreuzen drooggekookt door de centrale ster en zorgde de gasenvelop er voor dat ze makkelijk kleinere hemellichamen konden opslokken. Zou de aarde begonnen zijn als gasreus? Of zouden sterrenzaden het begin geleverd hebben?
Niet alleen de afstand van een planeet tot een ster, maar ook de plaats van de ster in de Melkweg moet aan strenge voorwaarden voldoen om leven mogelijk te maken. Ongeveer anderhalf procent van de Melkweg is in staat complex leven te onderhouden. Wat maakt onze omgeving zo uniek?
Twee Goudlokjeszones
Astrobiologen hebben lang discussie gevoerd over het idee dat planeten alleen in staat zijn leven te ondersteunen als vloeibaar water op het oppervlak van de planeet bestaat. Het is duidelijk dat dit aleen lukt als de temperatuur van de planeet op die van de aarde lijkt. Dat op zijn beurt stelt weer eisen aan de afstand van de planeet tot zijn ster. De zoektocht naar planeten in deze zogeheten Goudlokjeszone (of bewoonbare zone) is nu met de lancering van exoplanetensatelliet Kepler in een stroomversnelling geraakt. Echter: de ontwikkeling van leven stelt nog een tweede voorwaarde. Er zijn namelijk maar een beperkt aantal sterren, geconcentreerd in een klein deel van de Melkweg, waaromheen zich aardachtige planeten kunnen vormen.
Volgens het standaardmodel op dit moment bevinden deze sterren met aardachtige planeten in een torus (donutachtige ring) met een dikte van enkele duizenden lichtjaar rond het centrum van de Melkweg. Bewoonbare planeten vormen zich niet snel dicht bij het galactische centrum of er ver vandaan.
Leven blijkt in veel groter gebied mogelijk
Een supernova (rechts) staat op het punt een einde te maken aan het leven op een planeet in het centrum van de Melkweg.
Michael Gowanlock van de Universiteit van Hawaii in Honolulu en enkele van zijn collega’s, komen nu echter met een nieuwe kaart van de bewoonbare zone in de Melkweg welke afwijkt van dit standaardmodel. De bewoonbare zone van de Melkweg is veel complexer dan een simpele torus.
De nieuwe kaart gebruikt de laatste ontdekkingen over exoplaneten om de bewoonbare zone in de Melkweg vast te stellen. In het bijzonder hebben astronomen kort geleden vastgesteld dat exoplaneten zich veel sneller rond sterren met veel zware atomen vormen, dan rond sterren die vrijwel alleen uit de twee lichtste elementen, waterstof en helium, bestaan: een eigenschap die metalliciteit wordt genoemd. De eerste sterren in het heelal, populatie-III, bestonden geheel uit de tijdens de Big Bang gevormde waterstof en helium (en een spoortje lithium), maar genereerden zwaardere elementen toen ze uitgeput raakten en explodeerden als supernova. De volgende generatie (populatie-II) sterren vormde zich uit de overblijfselen van deze supernova’s en bevatten zo zwaardere elementen. Supernova’s vormen zich vooral in het centrum van de Melkweg, waar de sterren dicht opeengepakt zijn. Helaas hebben supernova’s de onhebbelijke eigenschap alle leven tot op enkele lichtjaren afstand te steriliseren. Het vernietigende stralingsbombardement van een supernova laat weinig over van de atmosfeer van een aardachtige planeet. Zonder atmosfeer zijn er maar weinig mogelijkheden voor complex leven om zich te ontwikkelen. Teveel supernova’s veranderen aardachtige planeten dus in levenloze rotsballen. Kortom: ook teveel supernova’s betekent: geen leven.
Leven toch mogelijk in centrum Melkweg
De vraag die Gowanlock en zijn mede-auteurs zich stellen is hoe deze processen zich uitbalanceren: de snelheid van planeetvorming, het aantal supernova’s en de tijd die nodig is voor complex leven om zich te ontwikkelen, uitgaande van ons geval-aarde. Hun antwoord: bewoonbare planeten in het centrum van de Melkweg komen zo veel voor dat zelfs als veel van hen worden vernietigd door supernova’s, er toch nog zeer veel overblijven om complex leven zoals wij dat kennen te ontwikkelen. Hun model suggereert dat 2,7 procent van alle sterren in de kern van de Melkweg bewoonbare planeten kan hebben. En ook verder weg kunnen zich bewoonbare planeten vormen, naar schatting van Gowanlock en collega’s een kwart procent.
Dat is veel meer dan wat het standaard torusmodel voorspelt. Dit betekent dat een significant deel van alle sterren verspreid door de gehele Melkweg potentieel interessant zijn voor exoplanetenjagers. “We voorspellen dat plm. 1,2% van alle sterren een planeet herbergt die ooit in zijn bestaan in staat was om complex leven te ondersteunen”, aldus Gowanlock en zijn collega’s.
Tidally locked
Exobiologen bedachten in opdracht van NGC Aurelia, een bewoonbare planeet die om een rode dwergster draait. Op de plek waar de zonnestraling maximaal is, bevindt zich een eeuwige reusachtige orkaan.
Helaas is er een probleempje. Ongeveer driekwart van deze bewoonbare planeten staat zo dicht bij hun ster dat ze altijd hetzelfde halfrond naar hun ster keren. Dit kan een probleem vormen. Astrobiologen debatteren fel over de bewoonbaarheid van planeten die altijd hetzelfde halfrond naar hun moederster wenden.
Een exoplaneet met deze eigenschap is bijvoorbeeld de super-aarde rond Gliese 581, die dicht genoeg bij het rode-dwergsterretje staat om genoeg opgewarmd te worden voor leven, maar daarom waarschijnlijk door de enorme zwaartekrachtsinvloed ook (net als de Maan richting de aarde) hetzelfde halfrond naar de zon gekeerd houdt. Eén halfrond van deze planeet zou worden verschroeid door de zon terwijl de andere helft een eeuwige ijsnacht kent.
Science fiction schrijvers hebben beschreven hoe het leven in een dergelijke ringvormige bewoonbare zone zou zijn: een smalle strook land die begrensd wordt door vuur en ijs. Misschien dat de planeet een beetje wiebelt (libratie) net als de Maan. Naar we nu weten is dit beeld wat te naief, maar creatieve exoplaneetdeskundigen kwamen met andere modellen, zoals de verre wereld Aurelia en de Kosmische Oogbal.
Astro-meteoroloog Pierrehumbert heeft al eerder bizarre exoplaneten bedacht waarop leven kan voorkomen. Zijn nieuwste vondst maakt leven mogelijk op een zware exo-aarde die even ver van de zon staat als Saturnus. Zijn recept: een dikke waterstofdeken.
Waterstof als broeikasgas
Onze aarde wordt warmgehouden door het broeikaseffect van onder meer kooldioxide. Kooldioxide en waterdamp, de voornaamste broeikasgassen op aarde, bevriezen bij de temperaturen die op bijvoorbeeld Saturnus heersen. Echter: ook waterstof kan werken als broeikasgas, als de atmosferische druk maar voldoende hoog is.
Met een dikke waterstofatmosfeer zou exo-aarde OGLE 390Lb toch voldoende warm zijn voor leven, berekenden Pierrehumbert en Gaidos.
Raymond Pierrehumbert aan de Universiteit van Chicago en Eric Gaidos aan de Universiteit van Hawaï in Honolulu berekende het verwarmende effect van een waterstof-deken op Aarde-achtige planeten en super-aardes . Zij vonden dat een waterstof-atmosfeer, tientallen keren dikker dan onze stikstof-zuurstof atmosfeer, een dergelijke planeet warm zou houden tot 15 maal de afstand van de aarde van de zon (dus 2,25 miljard kilometer). Ondanks de dikte van deze buitenaardse atmosfeer, berekenen Pierrehumbert en Gaidos dat voldoende zonlicht voor fotosynthese het oppervlak van de planeet zou bereiken.
Miljoenen extra bewoonbare exoplaneten?
“Het is een slim idee,” zegt James Kasting van Pennsylvania State University in University Park, “maar ik ben sceptisch over de vraag of deze planeten zich ooit kunnen vormen.” Hij betwijfelt dat een aarde-achtige planeet of super-Aarde voldoende waterstof aan kan trekken uit de wolk van gas rondom een ​​jonge ster.
Kasting voegt hieraan toe dat planeten ver van hun ster zwakker en moeilijker te zien zullen worden dan planeten vlak bij hun ster, dus het vinden van deze verre werelden zal veel moeilijker zijn, net als het bestuderen van hun atmosfeer. Daar staat tegenover dat dit mechanisme het gebeid waarbinnen leven kan voorkomen enorm zou uitbreiden. Veel bekende exoplaneten zijn volgens de klassieke modellen te koud om leven te ondersteunen.
“Koude” exoplaneet toch bewoonbaar?
Pierrehumbert en Gaidos wijzen toch op een bekende planeet die past in hun scenario. De planeet OGLE-05-390Lb is ongeveer zes keer zo zwaar als de aarde. De planeet draait rond een rode dwerg – een kleine, koele, zwakke ster – op 2,6 maal afstand van de aarde van de zon. Een naakte planeet zo ver van een dergelijk zwakke ster zou een ijskoude wereld zijn. Maar met een dikke beschermende waterstofatmosfeer zou in potentie vloeibaar water voorkomen aan het oppervlak, zeggen de onderzoekers in een studie die zal verschijnen in The Astrophysical Journal Letters.
Echter: als een verweg gelegen planeet leven zou voortbrengen, kan het zijn eigen doodvonnis tekenen. Sommige typen microben leven door waterstof en kooldioxide te combineren tot water en methaan. Door het afbreken van deze broeikasgassen zouden de microben de planeet veranderen in een levenloze ijsbal. Aan de andere kant: waarschijnlijk komt er op een dergelijke waterstofrijke planeet helemaal geen kooldioxide voor, maar net zoals op Jupiter en Saturnus alleen methaan. En laat methaan nou net ook een zeer effectief broeikasgas zijn…
Stel je voor: een planeet met een oppervlakte van gesmolten lood. Astronomen hebben een zeer merkwaardig object gevonden: een superaarde die om een zonachtige ster draait in slechts anderhalve dag. Heel merkwaardig: de planeet is 60% groter dan de aarde, maar zo dicht als lood…
De superaarde 55 Cancri e bestaat waarschijnlijk uit witgloeiende gesmolten zware metalen.
55 Cancri e, zoals de planeet onder astronomen bekend staat, staat maar op een paar miljoen kilometer afstand van de zonachtige ster 55 Cancri en wordt dus geblakerd door de felle straling. De planeet is vermoedelijk met 2700 graden zo heet, dat de atmosfeer al weggekookt moet zijn en de oppervlakte uit gesmolten mineralen en zware metalen zoals lood bestaat. Tot voor kort werd gedacht dat de planeet nooit langs de zon langs zou trekken, maar dat blijkt niet te kloppen. Uit de vermindering in helderheid is berekend dat de planeet een in verhouding zeer kleine radius moet hebben. Uit sterschommelingen was al eerder bekend dat de planeet acht keer zo zwaar is als de aarde. Wanneer de kleine doorsnede en de grote massa worden gecombineerd, blijkt dat de planeet twee keer zo dicht is als de aarde en hiermee de dichtste exoplaneet ooit gevonden.
De superaarde heeft een massa per liter van tien kilogram, te vergelijken met die van lood. Het gaat hier om een gemiddelde waarde. Vermoedelijk is de planeet rijk aan nog zwaardere metalen, zoals wolfraam, uranium en thorium.
Er zijn al verschillende verklaringen bedacht voor dit merkwaardige object, maar geen van allen zijn ze erg bevredigend. Het zou een compleet drooggekookte gasreus kunnen zijn, maar van andere zogeheten hete Jupiters is bekend dat hun zwaartekracht voldoende is om zwaardere gassen vast te houden. Misschien dat een nog grotere superaarde door de getijdekrachten van de ster uit elkaar is gesloopt en dat daardoor de gesmolten zware kern over is gebleven. Tenslotte kan het zo zijn dat bij de vorming van het planetenstelsel de lichtere elementen weggekookt zijn.
Hoe zou de aarde er uit zien als de zon een rode dwerg is? Zou Mars leefbaar worden als de planeet een stuk groter is dan nu? NASA heeft een online applicatie ontwikkeld om je eigen exoplaneet te ontwerpen. Vanaf gloeiend hete Jupiter tot bevroren ijsdwerg, je droomwereld is door wat sliders te verschuiven samen te stellen. Dat niet alleen, het resultaat is te downloaden.
Altijd al willen weten wat er met de aarde gebeurt als je die twee keer zo groot maakt?
Tot voor kort was de vraag of zonnestelsels zoals het onze veel voorkomen of een zeldzame eend in de bijt zijn, een nauwelijks te beantwoorden vraag. Nu is daar verandering in gekomen. De planetenjagende satelliet Kepler heeft de jacht ingezet op sterren waarvan de planeten precies tussen de ster en de satelliet bewegen. Er zijn in de paar maanden dat Kepler actief is al een aantal zeer opmerkelijke uitkomsten…
Exoplanetenjacht
Tot de lancering van Kepler bedroeg het aantal bekende exoplaneten iets meer dan vijfhonderd. Exoplaneten werden opgespoord door sterren zeer goed te bestuderen en hun positie goed waar te nemen. Zware planeten die vlak bij een ster staan laten hun ster namelijk schommelen. Technisch gesproken draait bijvoorbeeld de aarde niet om de zon, maar draaien aarde en zon rond een gemeenschappelijk zwaartepunt, het massamiddelpunt of barycentrum.
Exoplaneet Osiris (HD209458) is een hete Jupiter. Daarom was hij makkelijk te ontdekken.
Uiteraard is de zon zo extreem veel zwaarder dan de aarde dat het effect bij de zon nauwelijks merkbaar is. Dat ligt anders bij een reuzenplaneet als Jupiter, die de zon duidelijk laat schommelen. Met deze methode zijn vooral zware gasreuzen die vlak bij een licht sterretje, bijvoorbeeld een rode dwerg, staan te vinden: de hete Jupiters. Deze gloeiendhete gasreuzen overleven de nabijheid van de ster omdat hun zwaartekracht enorm groot is, zodat het hete gas niet kan ontsnappen.
Uiteraard zijn we vooral geïnteresseerd in aardachtige planeten in de bewoonbare zone van de ster, de zone waar vloeibaar water voor kan komen. Deze zijn in de praktijk met deze methode alleen op te sporen bij extreem kleine sterretjes (rond de vijf tot tien procent van de massa van de zon) of door de methode van Kepler te gebruiken: heel veel sterren tegelijk in de gaten houden en controleren of er periodieke kleine veranderingen in de helderheid zijn: elk “deukje” komt dan overeen met een passage van een planeet tussen de satelliet en de ster. Omdat Kepler heel veel sterren tegelijkertijd in de gaten houdt, zijn er al over de duizend nieuwe planetenstelsels ontdekt.
Een unieke ontdekking was die van twee planeten die dezelfde omloopbaan deelden. Beide planeten bevinden zich in elkaars Lagrangepunten, punten waar zwaartekrachtsinvloeden elkaar opheffen. Stel je voor: een zusteraarde die altijd op precies dezelfde positie ten opzichte van de zon zou blijven staan. Als Venus op die plaats had gestaan had zich misschien wel een tweede bewoonbare planeet in ons zonnestelsel bevonden.
Echter, zo blijkt uit Keplers metingen, dat is nog maar het topje van de ijsberg aan bizarre zonnestelsels.
Ongeveer 17% van alle planetenstelsels die Kepler detecteert bestaat uit meer dan één planeet. Dit is laag (ons zonnestelsel telt er acht) maar volgens onderzoekers wordt dit verklaard doordat niet alle planetenbanen netjes in het verlengde van andere planeten liggen. Zo is de Dierenriem, het deel van de hemel waar planeten door lijken te reizen, zo’n achttien graden breed (ongeveer vijfendertig maal de breedte van de zon of de volle maan). Vanaf de aarde bekeken is de kans al vrij klein dat een binnenplaneet als Venus of Mercurius langs de zonneschijf trekt (ongeveer een van elke twintig omloopbanen). Dat zal in exoplaneetstelsels niet anders zijn.
Ook zijn veel exoplanetenstelsels veel chaotischer dan het zonnestelsel. Van verschillende Jupiterachtige exoplaneten is bekend dat ze in een ander vlak om de ster draaien dan de ster zelf. Onderzoekers denken daarom dat in veel zonnestelsels door dit soort planetaire bijnabotsingen de Jupiterachtige planeten de kleinere aardachtige planeten uit het zonnestelsel hebben geslingerd. Wie weet kent ook ons zonnestelsel weeskinderen die nu eenzaam en verlaten als bevroren woestenij tussen de sterren zwerven…
De planeetzoekende satelliet Kepler heeft een object ontdekt dat in theorie wel zou kunnen bestaan maar voor praktisch onmogelijk werd gehouden: twee planeten in dezelfde omloopbaan. Astronomen denken dat miljarden jaren geleden een vergelijkbare planeet op de aarde is gestort.
De bestaande theorie voor planeetvorming zegt dat een planeet zijn hele omloopbaan schoonveegt. Daarom is het zonnestelsel tot voorbij de baan van Neptunus bijna helemaal vrij van puin en stof. Alleen de planetoïdengordel blijft in stand, naar vermoedt wordt omdat de reuzenplaneet Jupiter voorkomt dat het puin zich samenvoegt.
Om de zonachtige ster KOI-730 draaien twee planeten in dezelfde omloopbaan. Hoe lang blijft dat goed gaan?
Echter: elke planeet heeft enkele zogeheten Lagrangepunten: punten waarop de zwaartekracht van de ster en de planeet elkaar in evenwicht houden. Alleen L4 en L5, de twee punten die op de onloopbaan van de planeet liggen, zijn echter stabiel: objecten blijven hier van nature hangen. In de Lagrangepunten van de aarde zweeft ruimtestof; Jupiter heeft asteroïden, de Trojanen, op beide Lagrangepunten.
Precies op die punten van het zonnestelsel KOI-730 heeft Kepler nu een tweelingplaneet ontdekt. Kepler vindt planeten door te letten op periodieke veranderingen van de helderheid van een ster. Als een planeet voor zijn ster langs trekt, verduistert hij de ster een beetje. Objecten in dezelfde omloopbaan bewegen altijd even snel. Astronomen vonden een patroon waarin op eenzesde van de periodetijd de ster nog een keer wat zwakker werd. Dit moesten daarom planeten in elkaars Lagrangepunten zijn. Het jaar duurt 9,8 dagen voor beide planeten.
Vanaf één planeet ziet de andere planeet er uit als een licht dat ten opzichte van de zon altijd op precies dezelfde plaats blijft staan. Volgens twee astronomen, Richard Gott en Edward Belbruno van Princeton is de maan op een vergelijkbare wijze ontstaan. Volgens hun theorie – ondersteund door computersimulaties – moet Theia, het planetaire object zo groot als Mars dat volgens velen vijftig miljoen jaar na de vorming van het zonnestelsel met de proto-aarde is gebotst, met lage snelheid op de aarde terecht zijn gekomen om uiteindelijk tot de vorming van de maan te hebben kunnen leiden. Dat kan alleen zijn gebeurd als Theia zich al in de baan van de proto-aarde bevond – op één van de Lagrangepunten.
De kans dat we net zo’n spectaculaire botsing gaan zien is klein. Volgens berekeningen van hun collega Bob Vanderbei blijft deze baan zeker nog zo’n 2,2 miljoen jaar stabiel.
