Bestaat er ergens in ons sterrenstelsel nog een aarde? Met de recente lancering van het Kepler-ruimtevaartuig komen astronomen steeds dichter bij het vinden van een planeet ter grootte van een aarde in een aardachtige baan. Maar zodra die zoektocht slaagt, zijn de volgende vragen die het onderzoek drijven: Is die planeet bewoonbaar? Heeft het een aardachtige atmosfeer? Het beantwoorden van die vragen zal niet eenvoudig zijn. Maar de telescoop die klaar is voor de taak is de James Webb Space Telescope (JWST), gepland voor een geplande lancering in 2013. Twee onderzoekers hebben onlangs het vermogen van JWST onderzocht om de atmosfeer van hypothetische aardachtige planeten te karakteriseren, en ontdekten dat dit de telescoop is die in staat zou zijn om bepaalde gassen, biomarkers genoemd, zoals ozon en methaan, voor nabije aardse werelden te detecteren. (Zie ons gerelateerde artikel: Q&A met Dr. John Mather over JWST.)
Vanwege de grote spiegel en de locatie op het L2-punt in de ruimte, biedt de James Webb-ruimtetelescoop astronomen de eerste echte mogelijkheid om de antwoorden te vinden over de bewoonbaarheid van nabijgelegen aardachtige werelden, zegt Lisa Kaltenegger van het Harvard-Smithsonian Center voor Astrophysics en Wesley Traub van het Jet Propulsion Laboratory. "We zullen heel veel geluk moeten hebben om de atmosfeer van een aarde-achtige planeet te ontcijferen tijdens een transitie-evenement, zodat we kunnen zien dat het op de aarde lijkt", zei Kaltenegger. "We zullen daarvoor veel transits moeten optellen - honderden, zelfs voor sterren op een afstand van 20 lichtjaar."
"Hoewel het moeilijk is, zal het een ongelooflijk opwindende poging zijn om de atmosfeer van een verre planeet te karakteriseren," voegde ze eraan toe.
Tijdens een doorvoergebeurtenis kruist een verre, extrasolaire planeet voor zijn ster, gezien vanaf de aarde. Terwijl de planeet doorgaat, absorberen gassen in zijn atmosfeer een klein deel van het licht van de ster en laten vingerafdrukken achter die specifiek zijn voor elk gas. Door het licht van de ster te splitsen in een regenboog van kleuren of spectrum, kunnen astronomen die vingerafdrukken zoeken. Kaltenegger en Traub onderzochten of die vingerafdrukken door JWST detecteerbaar zouden zijn.
De doorvoertechniek is zeer uitdagend. Als de aarde zo groot was als een basketbal, zou de atmosfeer zo dun zijn als een vel papier, dus het resulterende signaal is ongelooflijk klein. Bovendien werkt deze methode alleen als de planeet voor zijn ster staat, en elke doorgang duurt maximaal een paar uur.
Kaltenegger en Traub overwogen eerst een aarde-achtige wereld die in een baan om een zonachtige ster draait. Om een waarneembaar signaal van een enkele doorgang te krijgen, moeten de ster en de planeet extreem dicht bij de aarde zijn. De enige zonachtige ster die dichtbij genoeg is, is Alpha Centauri A. Een dergelijke wereld is nog niet gevonden, maar de technologie wordt nu pas in staat om werelden ter grootte van de aarde te detecteren.
De studie overwoog ook planeten die om rode dwergsterren cirkelden. Dergelijke sterren, type M genoemd, komen het meest voor in de Melkweg - veel vaker dan gele type G-sterren zoals de zon. Ze zijn ook koeler en dimmer dan de zon, maar ook kleiner, wat het gemakkelijker maakt om een aardachtige planeet te vinden die een M-ster passeert.
Een aardachtige wereld zou in de buurt van een rode dwerg moeten draaien om warm genoeg te zijn voor vloeibaar water. Als gevolg hiervan zou de planeet sneller cirkelen en zou elke doorvoer een paar uur tot slechts enkele minuten duren. Maar het zou in een bepaalde tijd meer doorgangen ondergaan. Astronomen zouden hun kansen om de atmosfeer te detecteren kunnen verbeteren door het signaal van verschillende transits toe te voegen, waardoor rode dwergsterren aantrekkelijke doelen worden vanwege hun frequentere transits.
Een aarde-achtige wereld die om een ster als de zon draait, zou eens per jaar een transitie van 10 uur ondergaan. Het zou 10 jaar duren om 100 uur doorvoerwaarnemingen te verzamelen. Daarentegen zou een aarde die om een middelgrote rode dwergster draait om de 10 dagen een doorvoer van een uur ondergaan. Het zou minder dan drie jaar in beslag nemen om 100 uur aan transitobservaties te verzamelen.
"Nabijgelegen rode dwergsterren bieden de beste mogelijkheid om biomarkers te detecteren in een doorgaande atmosfeer van de aarde", zegt Kaltenegger.
"Uiteindelijk kan directe beeldvorming - het bestuderen van fotonen van licht van de planeet zelf - een krachtigere methode blijken om de atmosfeer van aardachtige werelden te karakteriseren dan de doorvoertechniek", zei Traub.
Directe studies zijn al gebruikt om ruwe temperatuurkaarten te maken van extreem hete, gigantische extrasolaire planeten. Met instrumenten van de volgende generatie kunnen astronomen mogelijk atmosferische composities bestuderen, niet alleen temperaturen. De karakterisering van een "lichtblauwe stip" is de volgende stap van daaruit, hetzij door honderden doorgangen van één planeet bij elkaar op te tellen of door het sterrenlicht te blokkeren en het licht van de planeet rechtstreeks te analyseren.
In het beste geval kan Alpha Centauri A een doorgaande aarde-achtige planeet blijken te zijn die nog niemand heeft gezien. Dan zouden astronomen slechts een handvol transits nodig hebben om de atmosfeer van die planeet te ontcijferen en mogelijk het bestaan van de eerste tweelingaarde te bevestigen.
Bron: Harvard Center For Astrophysics
