Wat maakt een exoplaneet precies 'bewoonbaar'?

Een van de meest opwindende onderwerpen in de astronomie van vandaag is de zoektocht naar exoplaneten of planeten buiten ons zonnestelsel. We hebben tot nu toe meer dan 5.000 exoplaneten gevonden, en er worden er elk jaar meer ontdekt. En de heilige graal van het onderzoek naar exoplaneten is het vinden van bewoonbare planeten waar we naar leven buiten onze eigen planeet kunnen zoeken.

Als je geïnteresseerd bent in astronomie, heb je waarschijnlijk nieuwskoppen gezien over de bewoonbare exoplaneten die zijn ontdekt door missies zoals NASA's Kepler Space Telescope of Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Deze planeten zijn typisch aardachtig en kunnen vloeibaar water op hun oppervlak hebben, en men denkt dat ze mogelijk leven kunnen ondersteunen. Maar hoe kunnen we op miljoenen kilometers afstand zien of een planeet bewoonbaar is? En wat bedoelen we eigenlijk precies met bewoonbaar?

We spraken met bewoonbaarheidsexpert Abel Méndez van het Planetary Habitability Laboratory aan de Universiteit van Puerto Rico in Arecibo, die ons vertelde dat bewoonbaarheid veel ingewikkelder is dan jij zou kunnen denken.

Bewoonbaarheid is niet binair

De manier waarop de meeste mensen over bewoonbaarheid spreken, is alsof het een binaire toestand is. Of een planeet is bewoonbaar, of niet. Maar als je diep over het probleem nadenkt, is het duidelijk dat deze definitie niet voldoet. Bedoelen we bewoonbaar als in staat om menselijk leven in stand te houden? Of microbieel leven? Bedoelen we dat het een comfortabele omgeving is voor het leven om te slagen of een omgeving waar overleven moeilijk is maar theoretisch mogelijk is? Bedoelen we dat het leven in die omgeving zou kunnen zijn geëvolueerd, of dat als het leven daar zou zijn aangekomen, het zou kunnen overleven?

Er is geen duidelijk antwoord op deze vragen, daarom is het een vergissing om bewoonbaarheid te beschouwen als een ja/nee-vraag. In plaats daarvan zouden we bewoonbaarheid moeten beschouwen als een maatstaf voor geschiktheid voor een bepaald type leven.

Deze verwarring bestaat niet alleen onder leden van het publiek. Méndez zei dat er een gebrek aan consensus is onder wetenschappers over wat bewoonbaarheid ook betekent. Het is 'een beladen woord', zei hij, 'want in onze gebruikelijke gesprekken betekent bewoonbaarheid bewoonbaarheid voor mensen.” Maar als we naar andere planeten kijken, denken we niet alleen aan mensen, maar ook aan andere soorten van het leven.

De hele tijd dat astrobiologen zich hadden afgevraagd over de bewoonbaarheid van exoplaneten, draaide het om daarbuiten was een andere groep mensen die al tientallen jaren nadenkt over bewoonbaarheid: Ecologen. Ecologen praten over "geschiktheid van de habitat" van omgevingen hier op aarde - zoals in de geschiktheid van een bepaalde omgeving voor een bepaald type leven om te gedijen. Dat is precies wat de astrobiologische gemeenschap probeerde te bereiken met haar onderzoek naar exoplaneten.

Al vroeg in zijn onderzoek naar het onderwerp kwam Méndez dit ecologische werk tegen, hij zei: "Ik realiseerde me dat wat mensen in de wat de astrobiologie probeerde te doen – het definiëren en kwantificeren van bewoonbaarheid – werd decennia geleden al gedaan door ecologen.”

Hoe zit het met de bewoonbare zone?

Het probleem gaat dus niet over het bepalen of een exoplaneet wel of niet bewoonbaar is, maar over het bepalen welke kenmerken het geschikt maken voor levensvormen.

Een relatief gemakkelijke plek om te beginnen is met de eis dat er vloeibaar water beschikbaar moet zijn. Vloeibaar water is essentieel voor bijna alle levensvormen zoals we die kennen vanwege de oplosmiddeleigenschappen. Veel dingen lossen op in water, wat betekent dat het goed is om dingen met elkaar te vermengen, wat chemische reacties mogelijk maakt. Het speelt ook een belangrijke rol in de manier waarop enzymen functioneren. Dus wanneer wetenschappers zich de vereisten voor een bewoonbare exoplaneet hebben voorgesteld, staat het beschikbaar hebben van vloeibaar water bovenaan de lijst.

Dit is wat ons het idee geeft van de 'bewoonbare zone'. Dit is een gebied rond een ster waarvan wordt geschat dat een planeet de juiste temperatuur heeft om vloeibaar water op het oppervlak te hebben. Als we een Aardachtige planeet binnen de bewoonbare zone van een ster de redenering gaat, we zouden een goed startpunt hebben gevonden om naar het leven te zoeken.

In de bewoonbare zone zijn is echter niet het enige waar het om gaat bij bewoonbaarheid. Het is slechts één basisvereiste. En, zegt Méndez, de term heeft "veel verwarring" veroorzaakt, omdat astronomen vaak zullen zeggen dat een planeet bewoonbaar is, terwijl ze bedoelen dat hij zich in de bewoonbare zone bevindt. Hij geeft de voorkeur aan de term "potentieel bewoonbaar" om duidelijk te maken dat dit verre van een uitgemaakte zaak is.

Factoren voor bewoonbaarheid

Ok, dus vloeibaar water is een must. Wat is er nog meer nodig voor een planeet om leven te herbergen? We hebben daar een goed begrip van op basis van levensvormen van hier op aarde. Als het gaat om het beoordelen van de bewoonbaarheid van exoplaneten, willen astrobiologen meer weten over factoren zoals de massa en straal, evenals de oppervlaktetemperatuur, druk en de fractie van de planeet die bedekt is water.

Het is een uitdaging om deze factoren voor een bepaalde exoplaneet te bepalen. Van de meeste exoplaneten die nu zijn ontdekt, kunnen we factoren kennen zoals hun omlooptijd, hun straal of massa en hun stellaire flux, de hoeveelheid straling die ze ontvangen van hun gastster. Maar om bijvoorbeeld hun oppervlaktetemperatuur of -druk te kennen, moeten we hun atmosferen kennen.

Om te zien waarom, kijk naar ons eigen zonnestelsel. Venus heeft de hoogste oppervlaktetemperatuur in het zonnestelsel, ook al is het verder van de zon verwijderd dan Mercurius. Dat komt omdat Venus een extreem dikke atmosfeer heeft die de warmte vasthoudt en de oppervlaktetemperatuur verhoogt. Een buitenaardse astrobioloog die naar ons zonnestelsel kijkt, weet misschien niet hoe heet Venus was, omdat het van een afstand niet duidelijk is.

Toekomstig werk van telescopen zoals de James Webb Space Telescope zal ons in staat stellen meer te weten te komen over atmosferen van exoplaneten, maar voorlopig moeten wetenschappers de oppervlaktetemperaturen schatten.

De hoeveelheid van het oppervlak bedekt met water is ook belangrijk. De oceaanfractie genoemd, dit is van belang omdat de dynamische karakter van oceanen maakt ze geweldig in het transporteren van voedingsstoffen rond een planeet om de plek gastvrijer te maken voor leven.

We hebben momenteel geen instrumenten die de oceaanfractie van exoplaneten kunnen meten. Er zijn echter ideeën voor toekomstige telescopen die zou kunnen kijken naar hoe de hoeveelheid licht die wordt gereflecteerd door een exoplaneet verandert terwijl deze roteert, wat kan aangeven hoeveel oceaan het oppervlak bedekt.

Ondanks alle complexiteit bij het bepalen van deze factoren, denkt Méndez dat de exoplanetenwetenschap zich zo snel ontwikkelt dat we ze binnen twintig jaar kunnen meten. "Tien jaar voor atmosfeermetingen met verschillende instrumenten, daarna tien jaar voor nieuwe telescopen die planeten afzonderlijk kunnen zien en de oceaanfractie kunnen meten", voorspelde hij.

Een catalogus van potentieel bewoonbare exoplaneten

Exoplaneten in de komende decennia zo gedetailleerd kunnen bestuderen is opwindend, maar wetenschappers willen nu ook potentieel bewoonbare exoplaneten bestuderen. Om die reden handhaaft de groep van Méndez de Catalogus bewoonbare exoplaneten, wat een lijst is van alle potentieel bewoonbare exoplaneten die tot nu toe zijn ontdekt.

Om in de catalogus te worden opgenomen, moet een planeet ongeveer zo groot zijn als de aarde en in een baan rond de bewoonbare zone van zijn ster draaien. Maar om rekening te houden met de vele factoren die we nog niet weten over deze exoplaneten, zijn er twee verschillende criteria voor middelen ter grootte van de aarde. De catalogus heeft zowel een conservatieve lijst met planeten tot 1,6 keer de straal van de aarde of drie keer zijn massa, en een optimistische lijst met planeten tot 2,5 keer de straal van de aarde of 10 keer zijn massa.

Dat komt omdat wanneer we op zoek zijn naar potentiële bewoonbaarheid, we op zoek zijn naar rotsachtige planeten zoals de aarde, en niet naar gasplaneten. Exoplaneten met een lage dichtheid, zoals gasreuzen, zijn niet goed voor leven omdat ze slecht vasthouden de voedingsstoffen die voor het leven beschikbaar moeten zijn - om dezelfde reden waarom je geen leven in de wolken vindt Aarde. Planeten tot ongeveer twee keer de grootte van de aarde zullen rotsachtige planeten zijn, maar planeten die groter zijn, kunnen een soort zijn die een mini-Neptunus of gasdwerg wordt genoemd, die waarschijnlijk geen leven zal ondersteunen.

Met meer dan 5.000 bevestigde exoplaneten je zou je kunnen voorstellen dat de catalogus honderden kandidaten voor bewoonbaarheid zou opsommen, maar in feite zijn er relatief weinig - slechts 21 in de conservatieve lijst en nog eens 38 in de optimistische lijst.

De beknoptheid van de lijst kan gedeeltelijk zijn omdat veel exoplaneetdetectiemethoden beter zijn in het vinden van grotere exoplaneten dan kleinere - het is over het algemeen gemakkelijker om iets groters te herkennen - en enig onderzoek suggereert daar zou kunnen miljarden aardachtige planeten in ons melkwegstelsel. Maar voorlopig blijft het aantal exoplaneten dat we kunnen aanwijzen die voldoen aan de meest basale criteria voor potentiële bewoonbaarheid laag.

Waar te zoeken naar het leven nu

Het feit dat er maar weinig potentieel bewoonbare exoplaneten zijn die we kennen, betekent natuurlijk niet dat we moeten stoppen met het zoeken naar leven elders. In sommige opzichten maakt het het gemakkelijker om onderzoeksdoelen te bepalen als je dergelijke systemen hebt TRAPPIST-1, waarvan wordt gedacht dat het maar liefst vier potentieel bewoonbare exoplaneten herbergt en dat een belangrijk doelwit zal zijn voor het komende wetenschappelijke werk van de James Webb-ruimtetelescoop.

Al deze discussies over bewoonbaarheid gaan uit van het idee dat als er leven elders in het universum is, het op zijn minst vergelijkbaar zal zijn met het leven hier op aarde. Als we het hebben over de behoefte aan water of bepaalde voedingsstoffen, baseren we dat op het leven dat we op onze planeet hebben waargenomen. We gaan ervan uit dat er elders leven zal zijn zoals wij dat kennen, maar het is zeker mogelijk dat er ergens leven is in een geheel andere vorm.

Hoewel wetenschappers deze mogelijkheid erkennen, besteden ze niet veel aandacht aan het concept omdat het praktisch niet bruikbaar is voor onderzoek. "Je zult het leven niet herkennen omdat we het niet kennen," merkte Méndez op, dus het is niet iets waar we naar kunnen zoeken.

Op zoek naar leven in ons eigen zonnestelsel

Sommige onderzoekers beweren dat we in plaats van naar exoplaneten te kijken, in ons eigen zonnestelsel zouden kunnen kijken naar potentieel bewoonbare werelden - plaatsen zoals Saturnusmaan Enceladus of Jupiters maan Europa. Hoewel ze te ver van de zon staan ​​om vloeibaar water op hun oppervlak te hebben, wordt aangenomen dat beide oceanen vloeibaar zout water hebben onder ijzige korsten.

Maar Méndez is er niet van overtuigd dat deze locaties veelbelovende locaties voor het leven zijn vanwege die ijzige korsten. Deze korsten blokkeren de toegang tot elke atmosfeer en voorkomen dat energie van het oppervlak wordt overgedragen, waardoor het slecht geschikt is om leven in stand te houden. “Dat is erger dan de diepe oceanen op onze planeet. Het is veel erger dan wat dan ook op aarde', zei hij. "Ik denk niet dat daar iets anders dan microbieel leven zal leven."

Zelfs het vinden van microbieel leven buiten de aarde zou enorm opwindend zijn, vandaar het doel van missies zoals de rover Perseverance om te zoeken naar bewijs van oud leven op Mars. Maar Mars is tegenwoordig niet bepaald gastvrij, hoewel het op een bepaald moment in het verleden had kunnen zijn. Bewoonbaarheidsstudies over de omgeving van Mars zijn niet veelbelovend voor iets dat daar vandaag heeft overleefd: “Wij schatte dat het oppervlak van Mars duizend keer slechter is dan de Atacama-woestijn”, voor het in stand houden van het leven, Méndez gezegd.

Verder naar Mars

Ondanks zijn bedenkingen bij de dorre omstandigheden op Mars, is Méndez pragmatisch over waar we bewijs van leven kunnen vinden als het bestaat. "Als ik moest wedden waar we leven zouden kunnen vinden, zou ik op Mars wedden", zei hij, "hoewel ik meer van exoplaneten houd!" Dat komt door het probleem van detectie. Als je wilt weten dat een planeet niet alleen potentieel bewoonbaar is, maar ook leven herbergt, heb je bewijs nodig - en dat bewijs is buitengewoon moeilijk te verkrijgen vanaf een grote afstand.

Met de geplande terugkeermissies naar Mars in de komende decennia, is de race begonnen om een ​​stukje Mars terug naar de aarde te krijgen voor studie. Deze monsters zijn onze beste kans op een zekere opsporing van leven. "Het definitieve antwoord zal komen als je hier op aarde een monster hebt, omdat je op zoek bent naar microbieel leven in zeer kleine hoeveelheden", legde hij uit.

Het droomonderzoeksscenario zou zijn om een ​​monster te verzamelen uit een omgeving op Mars die volgens aardse normen bewoonbaar zou kunnen zijn, zoals een watervoerende laag. Als we bewijs van leven in zo'n omgeving zouden vinden, zou dat geweldig zijn - we zouden hebben ontdekt dat onze planeet niet de enige is waar leven is.

Maar Méndez zegt dat het net zo opwindend zou zijn om geen enkel bewijs van leven in zo'n omgeving te vinden. "Als we naar aardse maatstaven een bewoonbare plek vinden en daar geen leven is, zal dat verbazingwekkend en intrigerend zijn", zei hij. "Wat ging er mis? Wat is er gebeurd? Waarom is er geen leven?” Gezien het feit dat het leven bestaat in zo'n grote verscheidenheid aan omgevingen op aarde, en we weten het dat de aarde en Mars materiaal hebben gedeeld via inslagen, zou het inderdaad vreemd zijn als het leven beperkt was tot onze planeet.

"Het zou een geweldige openbaring zijn om leven te vinden, maar het negatieve resultaat zou nog dieper zijn", zei Méndez. “Er is geen manier om hier fout te gaan. Het is een win-winsituatie. Het antwoord is op Mars, het is daar. En elk antwoord is diepgaand.”

Aanbevelingen van de redactie

• Dit is waarom wetenschappers denken dat het leven gedijt op de 'helplaneet' Venus
• Astronomen zien een exoplaneet die spiraalarmen rond zijn ster creëert
• Het Europese ruimtevaartuig BepiColombo maakt vandaag zijn derde Mercury-vlucht
• Deze exoplaneet is meer dan 2000 graden Celsius en heeft verdampt metaal in zijn atmosfeer
• De zoektocht naar bewoonbare manen in het zonnestelsel is aan het opwarmen