Sinds de Kepler Space Telescope werd gelanceerd in de ruimte, is het aantal bekende planeten buiten ons zonnestelsel (exoplaneten) exponentieel gegroeid. Op dit moment zijn 3.917 planeten bevestigd in 2.918 sterrenstelsels, terwijl 3.368 wachten op bevestiging. Hiervan maken er ongeveer 50 een baan binnen de circumstellaire bewoonbare zone van hun ster (ook bekend als 'Goudlokje-zone'), de afstand waarop vloeibaar water kan bestaan op het oppervlak van een planeet.
Recent onderzoek heeft echter de mogelijkheid vergroot dat we beschouwen als een bewoonbare zone te optimistisch is. Volgens een nieuwe studie die onlangs online verscheen, getiteld "A Limited Habitable Zone for Complex Life", zouden bewoonbare zones veel smaller kunnen zijn dan aanvankelijk werd gedacht. Deze vondsten kunnen een drastische impact hebben op het aantal planeten dat wetenschappers als 'potentieel bewoonbaar' beschouwen.
De studie werd geleid door Edward W. Schwieterman, een NASA Postdoctoral Program Fellow aan de University of California, Riverside, en omvatte onderzoekers van het Alternative Earths Team (onderdeel van het NASA Astrobiology Institute), de Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), en het NASA Goddard Institute for Space Studies.
Volgens eerdere schattingen op basis van Kepler gegevens concludeerden wetenschappers dat er waarschijnlijk alleen al in de Melkweg 40 miljard aarde-achtige planeten zijn, waarvan 11 miljard waarschijnlijk als onze zon in een baan om de aarde zullen draaien (d.w.z. gele dwergen van het G-type). Ander onderzoek heeft aangetoond dat dit aantal kan oplopen tot 60 miljard of zelfs 100 miljard, afhankelijk van de parameters die we gebruiken om bewoonbare zones te definiëren.
Deze resultaten zijn zeker bemoedigend, omdat ze suggereren dat de Melkweg vol leven zou kunnen zitten. Helaas heeft recenter onderzoek naar buitenzonneplaneten deze eerdere schattingen in twijfel getrokken. Dit is met name het geval bij planeten die op hun beurt zijn vergrendeld en die om M-type (rode dwerg) sterren draaien.
Bovendien heeft onderzoek naar hoe het leven op aarde is geëvolueerd, aangetoond dat water alleen niet het leven garandeert - en ook niet de aanwezigheid van zuurstofgas. Daarnaast overwogen Schwieterman en zijn collega's nog twee andere belangrijke biosignaturen die essentieel zijn voor het leven zoals we het kennen: kooldioxide en koolmonoxide.
Te veel van deze verbindingen zouden giftig zijn voor een complex leven, terwijl te weinig zou betekenen dat vroege prokaryoten niet zouden opduiken. Als het leven op aarde een indicatie is, zijn elementaire levensvormen essentieel om complexere, zuurstofconsumerende levensvormen te ontwikkelen. Daarom probeerden Schwieterman en zijn collega's de definitie van een bewoonbare zone te herzien om hiermee rekening te houden.
Om eerlijk te zijn, het berekenen van de omvang van een bewoonbare zone is nooit eenvoudig. Naast hun afstand tot hun ster, hangt de oppervlaktetemperatuur van een planeet af van verschillende feedbackmechanismen in de atmosfeer - zoals het broeikaseffect. Bovendien veronderstelt de conventionele definitie van een bewoonbare zone het bestaan van "aardachtige" omstandigheden.
Dit impliceert een atmosfeer die rijk is aan stikstof, zuurstof, kooldioxide en water en gestabiliseerd wordt door hetzelfde carbonaat-silicaat geochemische cyclusproces dat op aarde bestaat. In dit proces zorgen sedimentatie en verwering ervoor dat silicaatgesteenten koolstofhoudend worden, terwijl geologische activiteit ervoor zorgt dat koolstofgesteenten weer silicaatgebaseerd worden.
Dit leidt tot een feedbacklus die ervoor zorgt dat het kooldioxidegehalte in de atmosfeer relatief stabiel blijft, waardoor de oppervlaktetemperaturen (ook bekend als het broeikaseffect) kunnen stijgen. Hoe dichter de planeet bij de binnenrand van de bewoonbare zone komt, hoe minder kooldioxide hiervoor nodig is. Zoals Schwieterman uitlegde in een recent artikel van MIT Technology Review:
"Maar voor de middelste en buitenste regio's van de bewoonbare zone moeten de atmosferische kooldioxideconcentraties veel hoger zijn om de temperaturen te handhaven die bevorderlijk zijn voor vloeibaar oppervlaktewater."
Ter illustratie gebruikte het team Kepler-62f als voorbeeld, een superaarde die om een ster van het K-type draait (iets kleiner en zwakker dan onze zon) op ongeveer 990 lichtjaar van de aarde. Deze planeet draait om zijn ster op ongeveer dezelfde afstand als Venus de zon doet, maar de lagere massa van de ster betekent dat hij zich aan de buitenrand van de bewoonbare zone bevindt.
Toen deze in 2013 werd ontdekt, werd aangenomen dat deze planeet een goede kandidaat was voor buitenaards leven, uitgaande van de aanwezigheid van een voldoende broeikaseffect. Schwieterman en zijn collega's berekenden echter dat het 1.000 keer meer kooldioxide (300 tot 500 kilopascal) zou kosten dan wat er op aarde bestond toen complexe levensvormen voor het eerst evolueerden (ca. 1,85 miljard jaar geleden).
Deze hoeveelheid koolstofdioxide zou echter giftig zijn voor de meeste complexe levensvormen hier op aarde. Als gevolg hiervan zou Kepler-62f geen geschikte kandidaat voor het leven zijn, zelfs als het warm genoeg was om vloeibaar water te hebben. Toen ze eenmaal rekening hielden met deze fysiologische beperkingen, concludeerden Schwieterman en zijn team dat de bewoonbare zone voor complex leven aanzienlijk smaller moest zijn - een kwart van wat eerder werd geschat.
Schwieterman en zijn collega's berekenden ook dat sommige exoplaneten waarschijnlijk meer koolmonoxide bevatten omdat ze in een baan om koele sterren draaien. Dit legt een aanzienlijke beperking op de bewoonbare zones van rode dwergsterren, die toevallig 75% van de sterren in het heelal uitmaken - en waarvan wordt aangenomen dat ze de meest waarschijnlijke plaats zijn om planeten te vinden die terrestrisch (d.w.z. rotsachtig) van aard zijn.
Deze bevindingen kunnen ingrijpende gevolgen hebben voor wat wetenschappers beschouwen als 'potentieel bewoonbaar', om nog maar te zwijgen van de grenzen van de bewoonbare zone van een ster. Zoals Schwieterman uitlegde:
"Een implicatie is dat we misschien niet verwachten dat we tekenen van intelligent leven of technosignaturen zullen vinden op planeten rond late M-dwergen of op potentieel bewoonbare planeten nabij de buitenrand van hun bewoonbare zones."
Om de zaken nog ingewikkelder te maken, is deze studie een van de vele die extra beperkingen oplegt aan wat als laat bewoonbare planeten zou kunnen worden beschouwd. Alleen al in 2019 is onderzoek uitgevoerd dat aantoont hoe rode dwergsterrensystemen mogelijk niet de noodzakelijke grondstoffen hebben om te leven, en dat rode dwergsterren mogelijk niet genoeg fotonen leveren om fotosynthese te laten plaatsvinden.
Dit alles draagt bij tot de duidelijke mogelijkheid dat het leven in onze melkweg zeldzamer is dan eerder werd gedacht. Maar natuurlijk, om met zekerheid te weten wat de grenzen van de bewoonbaarheid zijn, zullen meer onderzoeken nodig zijn. Gelukkig hoeven we niet te lang te wachten om erachter te komen, want de komende tien jaar zullen verschillende telescopen van de volgende generatie operationeel worden.
Deze omvatten de James Webb Space Telescope (JWST), de Extreem grote telescoop (ELT) en de Giant Magellan Telescope (GMT). Deze en andere geavanceerde instrumenten zullen naar verwachting veel meer gedetailleerde studies en karakterisaties van exoplaneten mogelijk maken. En als ze dat doen, hebben we een beter idee van hoe waarschijnlijk het leven daarbuiten is.
