Buitenaards leven ontdekken doe je zo
Aan de lopende band worden planeten gevonden bij andere sterren dan de zon – duizenden zijn het er al en er komen er nog vele duizenden bij. Hoe kunnen astronomen weten of daar iets leeft? Een stappenplan.
Dertig jaar geleden deden astronomen nog wat lacherig over buitenaards leven. Voer voor sciencefictionliefhebbers, ufo-gelovigen en andere fantasten. Daar is wel verandering in gekomen. De vraag naar het bestaan van buitenaards leven staat hoog op de onderzoeksagenda. ‘En we staan op het punt om hem te beantwoorden’, zegt aardwetenschapper James Kasting (65). ‘Ik hoop en verwacht dat in mijn leven nog mee te maken.’
Kasting, hoogleraar aan de Pennsylvania State University, is te gast op de Leidse Sterrewacht voor een reeks colleges, een publiekslezing (eind april) en een internationale workshop. Allemaal gewijd aan de speurtocht naar leven buiten ons zonnestelsel. ‘Het is niet eenvoudig’, zegt hij, ‘maar als er genoeg animo is, en geld, dan kunnen we binnen twintig jaar het antwoord hebben.’
Bewoonbare zone
Het gebied rond een ster waar het niet te heet en niet te koud is voor vloeibaar oppervlaktewater wordt de ‘bewoonbare zone’ genoemd. Die term werd 40 jaar geleden al geïntroduceerd door NASA-wetenschapper Michael Hart, lang voordat sterrenkundigen in 1995 de eerste exoplaneet ontdekten. Voor een koel dwergsterretje ligt de bewoonbare zone natuurlijk op veel kleinere afstand dan voor een hete reuzenster.
Nieuwe exoplaneten – planeten bij andere sterren dan de zon – worden aan de lopende band ontdekt. De teller staat officieel op 3.717 stuks. Veel daarvan zijn gevonden door de ruimtetelescoop Kepler. Nasa’s nieuwe planetenjager Tess, die half april werd gelanceerd, gaat er de komende jaren nog eens een slordige twintigduizend opsporen. Maar Kepler en Tess geven geen antwoord op de vraag of er op zo’n planeet leven voorkomt.
Zelfs met de toekomstige Extremely Large Telescope, die in 2024 klaar moet zijn, zal het niet lukken om met absolute zekerheid buitenaards leven aan te tonen, zegt de Leidse exoplaneten-expert Ignas Snellen. Hetzelfde geldt voor de James Webb Space Telescope, de opvolger van ruimtetelescoop Hubble. Het wachten is dus op de opvolger van de opvolger, en die bestaat alleen nog op papier. Tijd voor een stappenplan.
Stap 1: Vind planeten die op de aarde lijken
Makkelijker gezegd dan gedaan. Een planeet bij een andere ster kun je meestal niet zien. Hij verraadt zijn aanwezigheid doordat hij met zijn zwaartekracht de ster een piepklein beetje aan het schommelen brengt. Of doordat hij voor de ster langs beweegt, waardoor die tijdelijk een beetje zwakker lijkt. Maar een kleine planeet zoals de aarde heeft weinig zwaartekracht en onderschept ook vrijwel geen sterlicht. Moeilijk te vinden dus.
Toch is er een handvol planeten ontdekt die ongeveer even groot en even zwaar zijn als de aarde. Dat betekent dat ze ook uit gesteenten en metalen bestaan, en dus een vast oppervlak hebben, in tegenstelling tot gasvormige reuzenplaneten. De meeste van die ‘aardse’ planeten draaien in kleine omloopbanen rond koele, lichtzwakke sterretjes. ‘Niet echt gunstig voor leven,’ zegt Kasting; ‘zulke rode dwergen vertonen explosies van dodelijke röntgenstraling.’
Tess gaat naar schatting nog een paar dozijn van die kleine planeten ontdekken, en met een beetje geluk zitten er daar een paar bij die een wijdere baan beschrijven rond een rustige ster zoals onze eigen zon. Kortom, met stap 1 komt het uiteindelijk wel goed.
Stap 2: Check of zo’n planeet een dampkring en oceanen heeft
Dat een planeet even groot en even zwaar is als de aarde, betekent nog niet dat hij veel op de aarde lijkt, waarschuwt Aki Roberge van Nasa’s Goddard Space Flight Center. Venus is ook ongeveer even groot en even zwaar als de aarde, zegt ze, maar door een op hol geslagen broeikaseffect is het er bijna 500 graden. Andere ‘aardeachtige’ planeten hebben misschien niet eens een atmosfeer.
De grote vraag is dus of een planeet ‘bewoonbaar’ is. ‘Daarmee bedoelen we dat er vloeibaar water aan het oppervlak voorkomt’, zegt de Franse astronoom François Forget. ‘Leven op koolstofbasis, zoals al het leven dat wij kennen, lijkt onmogelijk zonder vloeibaar water.’ En zeeën en oceanen kunnen alleen bestaan op een planeet met een dampkring: zonder luchtdruk zou het water meteen verdampen.
Stap 2 ligt binnen het bereik van de James Webb Space Telescope, die in 2020 gelanceerd wordt. Kwestie van het licht van een ster in detail bestuderen terwijl er een planeet voorlangs beweegt. Als die planeet een dampkring heeft, wordt een klein deel van het sterlicht een beetje ‘gefilterd’. Zo kun je de samenstelling van de dampkring achterhalen. Als een planeet niet te heet en niet te koud is, en als er waterdamp in de atmosfeer voorkomt, dan moeten er ook zeeën en oceanen zijn. ‘En waterdamp is vrij gemakkelijk te detecteren’, zegt Snellen.
Dat kan trouwens ook op een andere manier. Als de exoplaneet niet al te ver weg staat, kun je hem misschien echt direct waarnemen. Je kijkt dan naar sterlicht dat door de planeet wordt weerkaatst. Ook dat geeft informatie over de samenstelling van de atmosfeer. Je hebt er wel een heel grote telescoop voor nodig, en je moet het licht van de ster zien af te schermen. De Europese Extremely Large Telescope (ELT) krijgt een spiegel van bijna 40 meter in middellijn en is gevoelig genoeg, aldus Snellen.
Stap 3: Ga op zoek naar zuurstof
Met de komende generatie telescopen kunnen sterrenkundigen dus waterdamp (en bijvoorbeeld ook kooldioxide) aantonen in de dampkring van een aardeachtige exoplaneet. Maar zuurstof is een ander verhaal. Zuurstofmoleculen laten een veel minder duidelijke ‘vingerafdruk’ achter in het licht van een ster. Terwijl juist de aanwezigheid van zuurstof wordt gezien als een belangrijke ‘biomarker’.
Waarom koolstof en water?
Het leven op aarde is gebaseerd op koolstofchemie en afhankelijk van water. Maar kan buitenaards leven niet heel anders in elkaar steken? Zoeken astrobiologen met oogkleppen op? Nee, zegt James Kasting. 95 procent van alle complexe moleculen in het heelal zijn ‘organisch’ – koolstofhoudend. Niet zo gek dus dat het leven op aarde daarop gebaseerd is. ‘Sciencefictionschrijvers speculeren wel eens over leven gebaseerd op silicium, maar daar is veel minder van, en de meeste siliciumatomen zitten ook nog eens opgesloten in gesteenten.’ Iets soortgelijks geldt voor water: dat is verreweg de meest voorkomende vloeistof in het heelal. Bovendien, aldus Kasting: als je niet zoekt naar leven zoals wij dat kennen, weet je ook niet waar je op moet letten. Behalve overtuigende biochemische argumenten speelt een gezonde dosis pragmatisme dus ook een rol.
‘Vrijwel alle aardse zuurstof is geproduceerd door levende organismen’, zegt Kasting. Zonder continue toevoer van nieuwe zuurstof zou het gas ook allang uit de atmosfeer zijn verdwenen. ‘De ontdekking van een rotsachtige planeet met water aan het oppervlak en zuurstof in de atmosfeer is misschien nog niet voor iedereen honderd procent overtuigend, maar ik zou dan wel geloven dat we het bestaan van buitenaards leven hebben aangetoond.’
De vraag is alleen of stap 3 met de Webb-telescoop of met de Extremely Large Telescope haalbaar is. Snellen denkt dat de Metis-camera van de ELT het wel voor elkaar moet krijgen, vooropgesteld dat de planeet niet te ver weg staat. Maar Kasting weet het nog niet zo zeker. ‘Vermoedelijk heb je er een grote telescoop in de ruimte voor nodig, nog veel groter dan Webb’, zegt hij. ‘Daar zijn wel plannen voor, maar dat wordt op z’n vroegst de tweede helft van de jaren dertig.’
Stap 4: Ga op zoek naar methaan
Wil je absolute zekerheid over biologische activiteit op een planeetoppervlak, dan moet je niet alleen zuurstof vinden, maar tegelijkertijd ook methaan. Op aarde wordt methaan geproduceerd door micro-organismen, maar bijvoorbeeld ook door koeien. Methaangas kan ook op niet-biologische wijze ontstaan, maar in combinatie met zuurstof is dat vrijwel uitgesloten. En om methaan te detecteren heb je zéker zo’n grote toekomstige ruimtetelescoop nodig – stap 4 lukt in ieder geval niet met Webb of met de ELT.
Al met al gaat het dus nog wel even duren. ‘Het is een geleidelijk proces,’ zegt Snellen. ‘Het is niet zo dat we straks van de ene dag op de andere opeens zeker weten dat er buitenaards leven bestaat.’ En sterrenkundigen zullen ook niet direct antwoord hebben op de vraag om wat voor sóórt leven het dan gaat – eencellige organismen of complexere levensvormen als planten en dieren.
Daar kan Kasting overigens niet mee zitten. ‘Als er iets leeft op een nabijgelegen aardeachtige planeet, dan kan het niet anders of het heelal moet wemelen van het leven’, zegt hij. ‘Heel waarschijnlijk komt er dan elders ook intelligent leven voor. Het zou een revolutionaire ontdekking zijn, met een belangrijke filosofische component: het vertelt ons ook iets over onze eigen plaats in de kosmos.’