In de afgelopen jaren is het aantal ontdekte buitenzonne-planeten rond het nabijgelegen M-type (rode dwergsterren) aanzienlijk toegenomen. In veel gevallen waren deze bevestigde planeten "aarde-achtig", wat betekent dat ze terrestrisch zijn (oftewel rotsachtig) en qua grootte vergelijkbaar zijn met de aarde. Deze vondsten zijn bijzonder opwindend omdat rode dwergsterren de meest voorkomende zijn in het heelal - ze vertegenwoordigen alleen al 85% van de sterren in de Melkweg.
Helaas zijn er de laatste tijd talloze onderzoeken uitgevoerd die erop wijzen dat deze planeten mogelijk niet de noodzakelijke voorwaarden hebben om het leven te ondersteunen. Het nieuwste komt van de Harvard University, waar postdoctoraal onderzoeker Manasvi Lingam en professor Abraham Loeb aantonen dat planeten rond M-type sterren mogelijk niet genoeg straling van hun sterren krijgen om fotosynthese te laten plaatsvinden.
Simpel gezegd, het leven op aarde zou tussen 3,7 en 4,1 miljard jaar geleden zijn ontstaan (tijdens de late Hadean of vroege Archean Eon), in een tijd dat de atmosfeer van de planeet vandaag giftig zou zijn geweest voor het leven. Tussen 2,9 en 3 miljard jaar geleden begonnen fotosynthetiserende bacteriën te verschijnen en begonnen ze de atmosfeer te verrijken met zuurstofgas.
Als gevolg hiervan beleefde de aarde ongeveer 2,3 miljard jaar geleden wat bekend staat als het "grote oxidatie-evenement". Gedurende deze tijd veranderden fotosynthetische organismen geleidelijk de atmosfeer van de aarde van een atmosfeer die voornamelijk uit kooldioxide en methaan bestond, tot een atmosfeer die bestond uit stikstof en zuurstofgas (respectievelijk ~ 78% en 21%).
Interessant genoeg wordt aangenomen dat andere vormen van fotosynthese zelfs eerder zijn ontstaan dan de fotosynthese van chlorofyl. Deze omvatten retinale fotosynthese, die ca. 2,5 tot 3,7 miljard jaar geleden en bestaat nog steeds in beperkte niche-omgevingen. Zoals de naam al doet vermoeden, vertrouwt dit proces op het netvlies (een soort paars pigment) om zonne-energie op te nemen in het geelgroene deel van het zichtbare spectrum (400 tot 500 nm).
Er is ook anoxygene fotosynthese (waarbij koolstofdioxide en twee watermoleculen worden verwerkt om formaldehyde, water en zuurstofgas te creëren), waarvan wordt aangenomen dat het de fotosynthese volledig voorafgaat. Hoe en wanneer verschillende soorten fotosynthese zijn ontstaan, is essentieel om te begrijpen wanneer het leven op aarde begon. Zoals professor Loeb via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
"‘ Fotosynthese ’betekent‘ samenstellen ’(synthese) door licht (foto). Het is een proces dat door planten, algen of bacteriën wordt gebruikt om zonlicht om te zetten in chemische energie die hun activiteiten van brandstof voorziet. De chemische energie wordt opgeslagen in koolstofgebaseerde moleculen, die worden gesynthetiseerd uit kooldioxide en water. Bij dit proces komt vaak zuurstof vrij als bijproduct, wat nodig is voor ons bestaan. Over het algemeen levert fotosynthese alle organische verbindingen en de meeste energie die nodig is voor het leven zoals we dat op aarde kennen. Fotosynthese is relatief vroeg in de evolutionaire geschiedenis van de aarde ontstaan. '
Dergelijke studies, die de rol van fotosynthese onderzoeken, zijn niet alleen belangrijk omdat ze ons helpen te begrijpen hoe het leven op aarde is ontstaan. Bovendien kunnen ze ons ook helpen te begrijpen of er al dan niet leven kan ontstaan op buitenzonne-planeten, en onder welke omstandigheden dit zou kunnen gebeuren.
Hun studie, getiteld "Fotosynthese op bewoonbare planeten rond sterren met een lage massa", verscheen onlangs online en werd voorgelegd aan de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society. Omwille van hun studie probeerden Lingam en Loeb de fotonflux van M-type sterren te beperken om te bepalen of fotosynthese mogelijk is op terrestrische planeten die in een baan om rode dwergsterren draaien. Zoals Loeb zei:
“In ons artikel hebben we onderzocht of fotosynthese kan plaatsvinden op planeten in de bewoonbare zone rond sterren met een lage massa. Deze zone wordt gedefinieerd als het bereik van afstanden tot de ster waar de oppervlaktetemperatuur van de planeet het bestaan van vloeibaar water en de chemie van het leven zoals we die kennen mogelijk maakt. Voor planeten in die zone hebben we de ultraviolette (UV) flux berekend die hun oppervlak verlicht als een functie van de massa van hun gastster. Sterren met een lage massa zijn koeler en produceren minder UV-fotonen per hoeveelheid straling. ”
In overeenstemming met recente vondsten met rode dwergsterren, concentreerde hun studie zich op "aarde-analogen", planeten die dezelfde fysieke basisparameters hebben als de aarde - dwz straal, massa, samenstelling, effectieve temperatuur, albedo, enz. Sinds de theoretische grenzen van fotosynthese rond andere sterren zijn niet goed begrepen, ze werkten ook met dezelfde limieten als die op aarde - tussen 400 en 750 nm.
Hieruit berekenden Lingam en Loeb dat M-type sterren met een lage massa niet in staat zouden zijn om de minimale UV-flux te overschrijden die nodig is om een biosfeer te garanderen die vergelijkbaar is met die van de aarde. Zoals Loeb illustreerde:
“Dit impliceert dat de bewoonbare planeten de afgelopen jaren rond de nabijgelegen dwergsterren, Proxima Centauri (dichtstbijzijnde ster bij de zon, 4 lichtjaar afstand, 0,12 zonsmassa's, met één bewoonbare planeet, Proxima b) en TRAPPIST-1 ( 40 lichtjaren verwijderd, 0,09 zonsmassa's, met drie bewoonbare planeten TRAPPIST-1e, f, g), hebben waarschijnlijk geen aardachtige biosfeer. Meer in het algemeen is het onwaarschijnlijk dat de spectroscopische studies van de samenstelling van de atmosfeer van planeten die hun sterren passeren (zoals TRAPPIST-1) biomarkers zullen vinden, zoals zuurstof of ozon, op detecteerbare niveaus. Als er zuurstof wordt gevonden, is de oorsprong waarschijnlijk niet-biologisch. '
Uiteraard zijn er grenzen aan dit soort analyse. Zoals eerder opgemerkt, geven Lingam en Loeb aan dat de theoretische grenzen van fotosynthese rond andere sterren niet goed bekend zijn. Totdat we meer leren over planetaire omstandigheden en de straling rond M-type sterren, zullen wetenschappers gedwongen worden om metrische gegevens te gebruiken op basis van onze eigen planeet.
Ten tweede is er ook het feit dat sterren van het M-type variabel en onstabiel zijn in vergelijking met onze zon en periodieke opflakkeringen ervaren. Lingam en Loeb verwijzen naar ander onderzoek en geven aan dat deze zowel positieve als negatieve effecten kunnen hebben op de biosfeer van een planeet. Kortom, stellaire uitbarstingen kunnen extra UV-straling opleveren die de prebiotische chemie zou kunnen stimuleren, maar zou ook schadelijk kunnen zijn voor de atmosfeer van een planeet.
Niettemin, gelet op intensievere studies van extrasolaire planeten die rond rode dwergsterren draaien, worden wetenschappers gedwongen te vertrouwen op theoretische inschattingen van hoe waarschijnlijk het leven op deze planeten zou zijn. De bevindingen in deze studie zijn nog een andere aanwijzing dat rode dwergsterrensystemen misschien niet de meest waarschijnlijke plaats zijn om bewoonbare werelden te vinden.
Indien waar, zouden deze bevindingen ook drastische implicaties kunnen hebben in de zoektocht naar buitenaardse intelligentie (SETI). "Aangezien de zuurstof die door fotosynthese wordt geproduceerd een voorwaarde is voor complex leven zoals mensen op aarde, zal het ook nodig zijn om technologische intelligentie te laten evolueren", aldus Loeb. "De opkomst van de laatste opent op zijn beurt de mogelijkheid om het leven te vinden via technologische handtekeningen zoals radiosignalen of gigantische artefacten."
Voorlopig wordt de zoektocht naar bewoonbare planeten en leven nog steeds geïnformeerd door theoretische modellen die ons vertellen waar we op moeten letten. Tegelijkertijd blijven deze modellen gebaseerd op "leven zoals we het kennen" - d.w.z. met aardanalogen en terrestrische soorten als voorbeelden. Gelukkig verwachten astronomen de komende jaren nog veel meer te leren dankzij de ontwikkeling van instrumenten van de volgende generatie.
Hoe meer we leren over exoplaneetsystemen, hoe groter de kans dat we zullen bepalen of ze al dan niet bewoonbaar zijn. Maar uiteindelijk weten we niet waar we nog meer naar moeten zoeken totdat we het daadwerkelijk vinden. Dat is de grote paradox als het gaat om de zoektocht naar buitenaardse intelligentie, om nog maar te zwijgen van die andere grote paradox (zoek het op!).
