Als we naar de toekomst kijken, hebben NASA en andere ruimteagentschappen hoge verwachtingen van het gebied van onderzoek naar buitenzonne-planeten. In het afgelopen decennium is het aantal bekende exoplaneten opgelopen tot iets minder dan 4000, en naar verwachting zullen er nog veel meer worden gevonden zodra de telescopen van de volgende generatie in gebruik worden genomen. En met zoveel exoplaneten om te bestuderen, zijn onderzoeksdoelen langzaam verschoven van het ontdekkingsproces naar karakterisering.
Helaas worden wetenschappers nog steeds geplaagd door het feit dat wat wij beschouwen als een "bewoonbare zone", aan veel veronderstellingen onderhevig is. Om dit aan te pakken, heeft een internationaal team van onderzoekers onlangs een paper gepubliceerd waarin zij hebben aangegeven hoe toekomstige exoplanetenonderzoeken verder zouden kunnen kijken dan de aarde-analoge voorbeelden als indicaties van bewoonbaarheid en een meer omvattende aanpak zouden hanteren.
De paper, getiteld "Habitable Zone predictions and how to test them", verscheen onlangs online en werd als whitepaper ingediend bij de Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Het team erachter werd geleid door Ramses M. Ramirez, een onderzoeker bij het Earth-Life Science Institute (ELSI) en het Space Science Institute (SSI), naast co-auteurs en mede-ondertekenaars van 23 universiteiten en instellingen.
Het doel van de decadale enquête is om rekening te houden met eerder geboekte vooruitgang op verschillende onderzoeksgebieden en prioriteiten te stellen voor het komende decennium. Als zodanig biedt de enquête cruciale begeleiding voor NASA, de National Space Foundation (NSF) en het Department of Energy bij het plannen van hun onderzoeksdoelen voor astronomie en astrofysica voor de toekomst.
Momenteel zijn veel van deze doelen gericht op de studie van exoplaneten, die de komende jaren zullen profiteren van de inzet van telescopen van de volgende generatie, zoals de James Webb Space Telescope (JWST) en de Groothoek-infraroodruimtetelescoop (WFIRST), evenals observatoria op de grond zoals de Extremely Large Telescope (ELT), de Thirty Meter Telescope en de Giant Magellan Telescope (GMT).
Een van de belangrijkste prioriteiten van exoplanetonderzoek is het zoeken naar planeten waar buitenaards leven zou kunnen bestaan. In dit opzicht duiden wetenschappers planeten aan als 'potentieel bewoonbaar' (en daarom waardevol vervolgwaarnemingen) op basis van het feit of ze al dan niet in een baan rond de bewoonbare zones van hun sterren (HZ) draaien. Om deze reden is het verstandig om eens te kijken wat er komt kijken bij het definiëren van een HZ.
Zoals Ramirez en zijn collega's in hun paper hebben aangegeven, is een van de belangrijkste problemen met de bewoonbaarheid van exoplaneten het niveau van de veronderstellingen die worden gemaakt. Om het op te splitsen, gaan de meeste definities van HZ's uit van de aanwezigheid van water op het oppervlak, aangezien dit het enige oplosmiddel is waarvan momenteel bekend is dat het leven bevat. Deze zelfde definities gaan ervan uit dat het leven een rotsachtige planeet vereist met tektonische activiteit die om een geschikt heldere en warme ster draait.
Recent onderzoek heeft echter veel van deze veronderstellingen in twijfel getrokken. Dit omvat studies die aangeven hoe atmosferische zuurstof niet automatisch de aanwezigheid van leven betekent, vooral als die zuurstof het resultaat is van chemische dissociatie en niet van fotosynthese. Ander onderzoek heeft aangetoond hoe de aanwezigheid van zuurstofgas in de vroege periodes van de evolutie van een planeet de opkomst van basis levensvormen zou kunnen voorkomen.
Er zijn ook recente onderzoeken geweest die hebben aangetoond dat platentektoniek misschien niet nodig is om leven te laten ontstaan, en dat zogenaamde "waterwerelden" het leven mogelijk niet kunnen ondersteunen (maar toch zouden kunnen). Bovendien heb je theoretisch werk dat suggereert dat het leven zou kunnen evolueren in zeeën van methaan of ammoniak op andere hemellichamen.
Het belangrijkste voorbeeld hier is de maan Titan van Saturnus, die beschikt over een omgeving die rijk is aan prebiotische omstandigheden en organische chemie - waarvan sommige wetenschappers denken dat ze exotische levensvormen kunnen ondersteunen. Uiteindelijk zoeken wetenschappers naar bekende biomarkers zoals water en kooldioxide omdat ze geassocieerd worden met leven op aarde, het enige bekende voorbeeld van een levensdragende planeet.
Maar zoals Ramirez via e-mail aan Space Magazine uitlegde, is deze mentaliteit (waarbij aard-analogen geschikt worden geacht voor het leven) nog steeds vol problemen:
“De definitie van de klassieke bewoonbare zone is gebrekkig omdat de constructie voornamelijk is gebaseerd op aardgerichte klimatologische argumenten die al dan niet van toepassing kunnen zijn op andere potentieel bewoonbare planeten. Er wordt bijvoorbeeld van uitgegaan dat CO2-atmosferen met meerdere balken kunnen worden ondersteund op potentieel bewoonbare planeten nabij de buitenrand van de bewoonbare zone. Dergelijke hoge CO2-niveaus zijn echter giftig voor aardse planten en dieren, en dus zonder een beter begrip van de grenzen van het leven, weten we niet hoe redelijk deze veronderstelling is.
“De klassieke HZ gaat er ook van uit dat CO2 en H2O de belangrijkste broeikasgassen zijn die potentieel bewoonbare planeten ondersteunen, maar verschillende studies in de afgelopen jaren hebben alternatieve HZ-definities ontwikkeld met verschillende combinaties van broeikasgassen, waaronder die welke, hoewel relatief klein op aarde, zouden kunnen zijn belangrijk voor andere potentieel bewoonbare planeten. ”
In een eerdere studie toonde Dr. Ramirez aan hoe de aanwezigheid van methaan en waterstofgas ook zou kunnen veroorzaken
Gelukkig krijgen deze definities de kans om getest te worden dankzij de inzet van telescopen van de volgende generatie. Niet alleen zullen wetenschappers enkele van de al lang bestaande veronderstellingen kunnen testen waarop HZ's zijn gebaseerd,
“Telescopen van de volgende generatie zouden de bewoonbare zone kunnen testen door te zoeken naar een voorspelde toename van de atmosferische CO2-druk, verder weg dat potentieel bewoonbare planeten van hun sterren verwijderd zijn. Dit zou ook testen of de carbonaat-silicaatcyclus, waarvan velen denken dat onze planeet het grootste deel van haar geschiedenis bewoonbaar heeft gehouden, een universeel proces is of niet. ”
In dit proces worden silicaatgesteenten omgezet in koolstofgesteenten door verwering en erosie, terwijl koolstofgesteenten worden omgezet in silicaatgesteenten door vulkanische en geologische activiteit. Deze cyclus zorgt voor de stabiliteit op lange termijn van de atmosfeer van de aarde door het CO2-niveau in de tijd consistent te houden. Het illustreert ook hoe water- en plaattektoniek essentieel zijn voor het leven zoals wij het kennen.
Dit type cyclus kan echter alleen bestaan op planeten die land hebben, waardoor 'waterwerelden' feitelijk worden uitgesloten. Deze exoplaneten - die vaak voorkomen rond M-type (rode dwerg) sterren - worden verondersteld tot 50% water te bevatten. Met deze hoeveelheid water op hun oppervlak hebben "waterwerelden" waarschijnlijk dichte ijslagen aan hun kernmantelgrens, waardoor hydrothermale activiteit wordt voorkomen.
Maar zoals al opgemerkt, is er enig onderzoek dat aangeeft dat deze planeten nog steeds bewoonbaar kunnen zijn. Hoewel de overvloed aan water de opname van koolstofdioxide door rotsen zou verhinderen en vulkanische activiteit zou onderdrukken, hebben simulaties aangetoond dat deze planeten nog steeds koolstof tussen de atmosfeer en de oceaan kunnen verplaatsen, waardoor het klimaat stabiel blijft.
Als dit soort oceaanwerelden bestaan, zegt Dr. Ramirez, zouden wetenschappers ze kunnen detecteren door hun lagere planetaire dichtheid en hogedrukatmosfeer. En dan is er nog de kwestie van verschillende broeikasgassen, die niet altijd een indicatie zijn van warmere planetaire atmosferen, afhankelijk van het type ster.
"Hoewel methaan onze planeet verwarmt, ontdekten we dat methaan de oppervlakken van planeten met bewoonbare zones in feite in een baan om rode dwergsterren koelt!" hij zei. 'Als dat het geval is, kunnen hoge methaanhoeveelheden op dergelijke planeten bevroren omstandigheden betekenen die misschien ongeschikt zijn voor het leven. We zullen dit kunnen waarnemen in planetaire spectra. ”
Over rode dwergen gesproken, het debat woedt over de vraag of planeten die rond deze sterren draaien al dan niet in staat zullen zijn om een atmosfeer te behouden. In de afgelopen paar jaar zijn er meerdere ontdekkingen gedaan die suggereren dat rotsachtige, getijdengebonden planeten veel voorkomen rond rode dwergsterren en dat ze in een baan rond de respectievelijke HZ's van hun sterren cirkelen.
Vervolgonderzoek heeft echter de theorie versterkt dat de instabiliteit van rode dwergsterren waarschijnlijk zou resulteren in zonnevlammen die planeten in hun baan rond hun atmosfeer zouden verwijderen. Ten slotte wijzen Ramirez en zijn collega's op de mogelijkheid dat er bewoonbare planeten zouden kunnen worden gevonden in een baan rond wat (tot voor kort) als een onwaarschijnlijke kandidaat werd beschouwd.
Dit zouden hoofdreekstype A-sterren zijn - zoals Sirius A, Altair en Vega - waarvan werd gedacht dat ze te helder en te heet waren om geschikt te zijn voor bewoonbaarheid. Dr. Ramirez zei over deze mogelijkheid:
'Ik ben ook benieuwd of er leven bestaat op bewoonbare planeten in een baan rond A-sterren. Er zijn niet veel gepubliceerde beoordelingen van de planetaire bewoonbaarheid van A-sterren gepubliceerd, maar sommige architecturen van de volgende generatie zijn van plan ze te observeren. We zullen binnenkort meer leren over de geschiktheid van A-stars voor het leven. ”
Uiteindelijk zullen studies zoals deze, die de definitie van "bewoonbare zone" in twijfel trekken, van pas komen wanneer missies van de volgende generatie wetenschappelijke operaties beginnen. Met hun hogere resolutie en gevoeligere instrumenten zullen ze veel van de voorspellingen die door wetenschappers zijn gedaan, kunnen testen en valideren.
Deze tests zullen ook bevestigen of leven al dan niet alleen kan bestaan zoals we het kennen, of ook buiten de parameters die we beschouwen als "aarde-achtig". Maar zoals Ramirez eraan toevoegde, benadrukt het onderzoek dat hij en zijn collega's hebben uitgevoerd ook hoe belangrijk het is dat we blijven investeren in geavanceerde telescooptechnologie:
“Ons artikel benadrukt ook het belang van een voortdurende investering in geavanceerde telescooptechnologie. We moeten zoveel mogelijk bewoonbare zoneplaneten kunnen vinden en karakteriseren als we onze kansen op het vinden van leven willen maximaliseren. Ik hoop echter ook dat onze krant mensen inspireert om verder te dromen dan alleen de komende 10 jaar. Ik geloof echt dat er uiteindelijk missies zullen zijn die veel beter zullen zijn dan alles wat we momenteel ontwerpen. Onze huidige inspanningen zijn nog maar het begin van een veel meer toegewijde inspanning voor onze soort. ”
De Decadal Survey-bijeenkomst van 2020 wordt gezamenlijk georganiseerd door de Board of Physics and Astronomy en de Space Studies Board van de National Academy of Sciences, en zal worden gevolgd door een rapport dat over ongeveer twee jaar zal verschijnen.
