Hyceaanse planeten – hyceanen meerderheid werelden waar leven mogelijk is

We hebben nog steeds geen antwoord op de vraag of er leven buiten de aarde bestaat. Eén klasse planeten lijkt ondertussen zeer veelbelovend: de hyceaanse planeten. Wat zijn hyceanen precies?

Wat zijn hyceaanse planeten?

De definitie van hyceaanse planeten is: oceaanwerelden met een waterstofatmosfeer. Hyceanen doen in veel opzichten denken aan de aarde. Net als onze planeet hebben ze uitgestrekte oceanen, een rotsachtige kern en een atmosfeer. Deze atmosfeer verschilt alleen radicaal van die van ons. Sterker nog, als je deze met zuurstof mengt, zou deze ontploffen. De atmosfeer van hyceaanse planeten bestaat namelijk grotendeels uit waterstof. De naam ‘hyceaans’ is een samentrekking van de woorden ‘hydrogen’ (waterstof in het Engels) en oceaan.

Waterstof gedraagt zich anders dan onze atmosfeer omdat het veel lichter is en andere chemische eigenschappen heeft. Zo stijgt waterdamp op aarde op, want een watermolecuul (18 dalton) is iets minder dan twee keer lichter dan een zuurstof (32 dalton) of stikstofmolecuul (28 dalton).

Dankzij dit effect is er regen en sneeuw. Op hyceaanse werelden blijft de waterdamp hangen, want waterdamp is tien keer zo zwaar als waterstofgas (2 dalton).

Artist impression van het oppervlak van een kokend hete hyceaanse planeet. Voor ons is dit kokend hete water onleefbaar. Maar extremofiele bacteriën voelen zich hier thuis. Bron: University of Cambridge

En toch zijn deze hyceaanse werelden, denken astrofysici, voor extremofiele bacteriën – en mogelijk ook andere hoge-temperatuur levensvormen die zich op aarde niet hebben ontwikkeld – bewoonbaar.

Hyceaanse planeten: zoals de aarde, maar toch anders

Het zal duidelijk zijn. Weliswaar zijn hyceanen overdekt met oceanen, maar verder heeft het leven op een hyceaanse planeet weinig weg van een idyllisch eilandparadijs. Zoals Hawai’i, voor de illegale Amerikaanse annexatie van dit onafhankelijke koninkrijk. Zo hebben deze planeten een dikke waterstofatmosfeer, wat uitsluit dat er ook zuurstof in voorkomt. Immers, zuurstof reageert meteen met waterstof tot water. Ademen op een hyceaan kunnen we dus niet.

Of, überhaupt, in leven blijven op de hetere exemplaren. Het water in de oceaan is namelijk tot rond de tweehonderd graden. Hoe dat kan? Dezelfde reden dat je pannetje Tibetaanse boterthee op de top van de Qomolongmo (8848 meter) bij 78 graden al begint te koken. De gasdruk. De atmosfeer van hyceaanse planeten is namelijk extreem dik en zwaar, waardoor water bij een veel hogere temperatuur pas verdampt.

Extremofiele bacteriën

Maar geen levensvorm houdt het toch uit bij deze temperaturen? We weten nu dat dat onjuist is. Zo staat het record voor een bacterie die zich heeft vermenigvuldigd op 123 graden, door de hyperthermofiel Methanopyrus kandleri. Ook hogere temperaturen zijn mogelijk, denken biologen. En vormen zich eenmaal bacteriën, dan is er ook een voedingsbron voor meercellige organismen.

In ons zonnestelsel komen ze niet voor, maar er bestaan veel werelden van deze grootteklasse,weten we aan onderzoek aan exoplaneten. De superaarde en de mini-Neptunus. jagers op Exoplaneten denken zelfs dat deze grootteklasse het meeste voorkomt in de Melkweg. Dat kan natuurlijk ook een meetfout zijn, immers planeten ter grootte van bijvoorbeeld Mars zijn door hun lage massa veel moeilijker waar te nemen.

In het artikel [1] van Madhusudhan wordt ook ingegaan op de verschillende typen Hyceaanse planeten. Zo zijn de omstandigheden op een planeet die dicht bij een ster staat, heel anders dan die op een verre ‘koude Hyceaan’, waar door de grote afstand tot de centrale zon zeer koude omstandigheden heersen. Zo zijn er vermoedelijk ook Hyceanen die altijd één kant van hun oppervlak naar hun zon toekeren, waarbij de andere kant voor altijd in het donker blijft: de ‘donkere Hyceanen’.

Wat is het verschil tussen superaardes, de mini-Neptunus en Hyceanen?

De super-aarde is rotsachtig maar groter dan de aarde. Ook nu nog is er weinig bekend over wat voor atmosfeer ze hebben – door de enorme afstand is het lastig om het spectrum van een klein onject als een planeet op te nemen. Sommige zijn ontdekt in de bewoonbare zones van de ster waar ze om heen draaien. Wat betekent dat vloeibaar water op hun oppervlak kan bestaan. En water is essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. .

De mini-Neptunus is voor zover we weten onherbergzaam voor aards leven, zelfs voor extremofielen. Ze hebben geen vast of vloeibaar oppervlak en de temperaturen en drukken in hun atmosfeer zijn verpletterend. Leven kan moeilijk evolueren dan. Maar sommige van deze “mini-Neptunussen” zouden wel degelijk leven kunnen ondersteunen. Namelijk, als het Hyceanen zijn.

Zijn Hyceaanse planeten bewoonbaar?

Hoe zouden Hyceaanse planeten dan bewoonbaar kunnen zijn? Om te beginnen hebben ze natuurlijk een oceaan van vloeibaar water. Absoluut essentieel voor het leven zoals we dat op aarde kennen en hiermee een gunstig teken. Hiermee hebben ze ook een duidelijk oppervlak, dat van de wereldomspannende oceaan.

Veel van de bekende kandidaat-Hyceanen zijn groter en heter dan de aarde, maar kunnen – het hogedrukpaneffect – nog steeds grote oceanen herbergen, volgens onderzoekers. Een wat mildere hyceaan met een oceaan op het kookpunt is prima leefbaar voor een extremofiel als Methanopyrus kandleri. Aardse extremofielen komen voor in zeer kleine biotopen, zoals rond vulkanische bronnen (daar is M. kandleri ook ontdekt). Daarom zijn er nauwelijks meercellige organismen op aarde die van deze bacteriën leven. Die zouden zich door kleine rotsspleten moeten wurmen.

Kan zich meercellig, intelligent leven ontwikkelen op Hyceaanse planeten?

Maar in een wereld met een complete oceaan op het kookpunt, is dat natuurlijk anders, en is er wel degelijk een evolutionaire druk voor grotere organismen om zich te ontwikkelen. Op aarde is dat meerdere keren gebeurd. Zowel met onze eigen groep, als met andere kolonie vormende eencelligen. Dus het ligt erg voor de hand dat dat ook op hyceanen zal gebeuren.

Dus als we op basis van wetenschappelijke overwegingen speculeren, is het antwoord ja. En dat doen we uiteraard graag als visionair denkenden. Dan zouden er intelligente octopussen of andere wezens met een hoogontwikkeld zenuwstelsel voor kunnen komen op deze wereld. Al zijn er twee problemen.

Het eerste probleem is dat er niet echt een overvloedige bron van vrije energie is op deze werelden. Op de ‘dark Hycean’ werelden is de donkere zijde bewoonbaar, maar krijgt geen zonlicht. Dan zou zich alleen op een smalle ring tussen dag en nacht intelligent leven kunnen ontwikkelen, waar zowel energie is, als voor leven draagbare omstandigheden.

Veel grotere bewoonbare zone

hyceaanse planeet, hyceanen

Vanwege de bijzondere eigenschappen van Hyceaanse planeten is de bewoonbare zone om hen heen veel groter dan die rond aardse planeten. Ook dat is een pluspunt voor de mogelijkheid van leven.  Dat is nog een pluspunt voor de mogelijkheid van leven. 

In de afbeelding hiernaast zie je dat de ‘habitable zone’ (HZ) voor Hyceanen veel breder is dan die voor aardachtige planeten. De dikke laag van waterstof werkt namelijk als buffer die het temperatuur waarin water vloeibaar is, zowel naar boven als naar beneden uitbreidt.

Op zoek naar biosignaturen

We kunnen exoplaneten nog niet bezoeken. Maar we kunnen wel meten wat voor gassen in hun atmosfeer voorkomen. Dat komt, omdat iedere chemische verbinding een uniek absorptiespectrum heeft. Als je het licht door een prisma of een andere spectrograaf stuurt, kan je het spectrum bekijken. Zo heeft gloeiende natriumdamp twee dikke gele lijnen. Zie je die twee dikke gele lijnen, dan weet je dat dat licht van gloeiende natriumdamp komt. Schijnt er licht door die natriumdamp, dan zie je juist twee zwarte lijnen in het gele deel.

hyceanen biomarkers via spectrografie vinden
Een prisma splitst wit licht in de samenstellende kleuren. Astronomen gebruiken hiervoor meestal een graat die ongeveer hetzelfde effect heeft. Bron: Wikipedia/public domain
hyceaanse planeet biomarkers via spectrografie vinden
Gloeiende natriumdamp is geel. Het spectrum bestaat uit twee smalle gele lijnen vlak naast elkaar (a). Als je met licht door natriumdamp schijnt, zie je dit in het spectrum: twee zwarte lijnen in het geel, waar het natrium het licht absorbeert. Dit is de chemische handtekening van gasvormig natrium

Er bestaan enkele moleculen die zich van nature bijna nooit vormen, maar wel veel door levende organismen geproduceerd worden. Meet je deze verbindingen in de atmosfeer, dan is dat een zeer sterke aanwijzing dat er leven voorkomt. Voor de hand liggende zijn verbindingen als zuurstof, ozon, lachgas en methaan. Hoewel op waarschijnlijk levenloze plekken als Jupiter methaan, en op Rhea, een ijsmaan van Saturnus, een zeer dunne zuurstofatmosfeer voorkomt. Dit is onze beste tool om te ontdekken of er leven voorkomt op hyceaanse planeten.

Duidelijk teken van leven

Interessantere verbindingen om dan op te letten zijn methylchloride en dimethylsulfide. Dit zijn verbindingen die aardse methaanbacteriën in zuurstofloze omstandigheden maken. Dus treffen we deze stoffen aan in het spectrum van de atmosfeer van een hyceaan, dan komt daar waarschijnlijk leven voor.

hyceaan
Artist impression van M. Kornmesser (ESA) van de exoplaneet K2-18b. In het spectrum van het licht van deze planeet ontdekten astronomen waterdamp, waterstof en helium. Dat maakt dit de meest waarschijnlijke kandidaat voor een hyceaanse wereld. -Via Wikipedia

Vanwege hun dikke atmosfeer zijn hyceaanse planeten een erg dankbaar object om deze techniek op los te laten. Daarom willen Madhusudhan en zijn team graag met de James Webb Space telescope de atmosferen van nabijgelegen Hyceaanse planeten afspeuren op deze biomarkers. Ontdekken we deze, dan zou dat sensationeel nieuws zijn. Het eerste buitenaardse leven. En er zijn behoorlijk wat van deze Hyceanen op astronomisch gezien korte afstand: 35 tot 150 lichtjaar. Wat ver voor een weekendtripje, maar dichtbij genoeg om hun atmosfeer te scannen.

hyceaanse planeten
Ondertussen, acht jaar later, hebben we tienduizenden exoplaneten ontdekt. Daarom weten we dat er een nieuwe planeetklasse bestaat naast de superaarde en Neptunusachtige: de hyceaan. Bron: PHL, Arecibo Space telecope team

Verder lezen

Bronnen

1. Nikku Madhusudhan, Anjali A. A. Piette, Savvas Constantinou, Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds, ArXiv.org preprint (nu gepubliceerd achter paywall in Astrophysics Journal). De betaalde versie kan je vinden op Nikku Madhusudhan, Anjali A. A. Piette, and Savvas Constantinou. ‘Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds.’ The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/abfd9c

2. New class of habitable exoplanets are ‘a big step forward’ in the search for life, University of Cambridge Research, 2021

2 reacties op “Hyceaanse planeten – hyceanen meerderheid werelden waar leven mogelijk is”

Laat een reactie achter