Exoplaneten: bewoonbare planeten buiten ons zonnestelsel

10-08-2021

De laatste 20 jaar is de ene planeet na de andere ontdekt, buiten ons zonnestelsel.  De teller staat nu al boven de 4000. Dat is spannend op zich, maar de hamvraag is: wat willen we van deze exoplaneten? Het antwoord is bijna zo oud als de mensheid zelf. We willen leven ontdekken, of plaatsen waar leven mogelijk is en die koloniseerbaar zijn. Reeds 50 exoplaneten hebben bewoonbare eigenschappen. Wetenschappers werken op volle toeren om te ontdekken waaruit de exoplaneten bestaan, hoe groot ze zijn, of er water of lucht is.

Auteur: 2021 Kathelijne Bonne

De oeroude vraag "zijn we alleen?" is de motor achter heel wat ruimteonderzoek. Met de recente ontdekkingen van exoplaneten wordt er gedacht dat deze vraag niet lang meer op zich laat wachten. Het heelal zit niet alleen vol sterren maar bulkt blijkbaar ook van de planeten. Een uit vijf planeten zou bewoonbare eigenschappen hebben. In dit artikel bekijken we wat planeten bewoonbaar maakt, hoe we ze opsporen, welke de meest veelbelovende exoplaneten zijn, en wat de Belgen ontdekt hebben.

Wat is een bewoonbare planeet?

Bewoonbaar wil zeggen er moet leven op kunnen ontstaan en daarna moet dit prille leven kunnen gedijen gedurende geologische tijdspannes, liefst voor miljoenen tot miljarden jaren, zoals op aarde.

Water in vloeibare toestand is een eerste vereiste voor leven zoals op Aarde. Een planeet ligt in de "bewoonbare zone" van een ster als het oppervlaktewater vloeibaar is, dus op een afstand die temperaturen van 0° tot 100° Celsius toelaat. Om vloeibaar te zijn, heeft water echter niet alleen deze temperatuur nodig, maar ook een bepaalde druk. Deze druk wordt uitgeoefend door de atmosfeer. Zonder atmosfeer, zou ijs gewoon verdampen tot waterdamp. 

En zo komen we aan de tweede vereiste, een atmosfeer, het laagje gas rond een planeet. Naast druk uitoefenen, zorgt een atmosfeer ervoor dat de temperatuur niet te extreem schommelt. Zonder atmosfeer zou de Aarde, net zoals de Maan (met haar flinterdun atmosfeertje), schommelen tussen -170°C 's nachts en meer dan 100°C overdag. Bovendien beschermt de atmosfeer de planeet tegen dodelijke UV en X-straling van de moederster.

De derde vereiste is een actieve dynamiek binnenin de planeet, zoals de platentektoniek op Aarde, die wordt aangedreven door een hete kern die ervoor zorgt dat het hete gesteente in de mantel als grote rupsbanden ronddraait, zoals beschreven in ons artikel Platentektoniek: de rupsbanden van de planeet. Daardoor zijn er vulkanen en andere fenomenen aan de oppervlakte. Platentektoniek zorgt er ook voor dat een planeet door een magnetisch veld omhuld wordt. Dit veld werkt als een schild tegen de dodelijke zonnewind.

Kortom, stromingen in oceanen, in de lucht en de gesteenten zorgen voor een stabiele omgeving en een continu herverdelen en recycleren van elementen die het leven nodig heeft zoals koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor, enz.

De mensheid is naar planeten met deze eigenschappen op zoek. Maar eerst moeten we de planeten zelf vinden. Hoe gaat dat in z'n werk?

Planeten zoeken: kijk naar het sterrenlicht

Astronomen gebruiken verschillende technieken om ze te detecteren, o.a. de transittechniek. Een transit vindt plaats als een planeet in haar omloopbaan voor haar ster schuift, ten opzichte van de waarnemer (zoals een zonsverduistering). Bij een transit neemt het sterrenlicht een beetje af. Als de transit op regelmatige tijdstippen terugkeert, dan gaat het hoogstwaarschijnlijk om een planeet.

De Kepler missie: veel meer planeten dan gedacht

Gewapend met transit-detecterende instrumenten, werd in 2009 de Kepler-telescoop de ruimte in gestuurd. In een smalle sector van ons Melkwegstelsel zocht ze naar sterren met planeten. Kepler bemonsterde ongeveer 140.000 sterren. Men dacht een handjevol planeten te ontdekken maar de missie overtrof alle verwachtingen. 

Rond een 3200-tal van deze sterren blijken ongeveer 4000 planeten te draaien. Het werkelijke aantal is veel hoger want met de transit-techniek zie je maar een fractie van alle transits (want je kijkt maar in één vlak). 

Kepler Ruimtetelescoop (NASA, artistieke weergave)
Kepler Ruimtetelescoop (NASA, artistieke weergave)
Zoekgebied van Kepler binnen het Melkwegstelsel (NASA)
Zoekgebied van Kepler binnen het Melkwegstelsel (NASA)

Hoe zien we de atmosfeer van een exoplaneet?

Hoe leren we meer over de planeet als we enkel haar silhouet zien? Hoe zien we die verre atmosfeer? Bij een transit straalt het sterrenlicht door de atmosfeer heen, als die er is. Naargelang de chemische samenstelling van de atmosfeer worden bepaalde golflengtes van het sterrenlicht geabsorbeerd, geblokkeerd, of doorgelaten, en dit wordt door instrumenten gedetecteerd. 

Waterdamp zou wijzen op een oceaan. Zuurstofgas kan wijzen op leven, want op aarde is het een nevenproduct van levende wezens. CO2 kan wijzen op een broeikaseffect.

Met deze technieken heeft men al een aantal exoplaneten kunnen beschrijven. Intussen weet men ook welke de beste kandidaat-planeten zijn voor leven.

Superaardes: geschikt voor leven

De grootte van de planeet is ook erg belangrijk. Ideaal zijn planeten die iets groter tot tien keer zo groot als de Aarde zijn. Dit zijn de zogenaamde superaardes. 

Een superaarde is redelijk groot, daarom is de kans groter dat ze haar interne warmte niet heeft kwijtgespeeld (kleine planeetjes koelen snel af). Dankzij de interne warmte is de kans op een dynamische binnenkant en dus ook platentektoniek groter. Een superaarde is ook zwaar, dus kan ze haar atmosfeer beter vasthouden. Grote klimaatrampen of meteorietinslagen hebben bovendien minder vat op een grotere dan op een kleinere planeet.

Op superaardes maakt het leven een betere kans.

Gliese 581 c, een superaarde

Gliese 581 c is een superaarde die mogelijks leefbaar is. Ze weegt vijf keer zoveel als de aarde. Ze draait rond haar moederster, Gliese 581, een rode dwerg in het sterrenbeeld Weegschaal, op 20 lichtjaar van de aarde. Temperaturen zouden er schommelen tussen 0 en 40° C. Het is nog niet bekend of er vloeibaar water op deze planeet voorkomt. Er valt nog heel wat over Gliese 581 c te ontdekken en enkele nieuwe ruimtemissies, zoals TESS en PLATO zullen niet aan deze planeet voorbij gaan.

We kennen nu al een vijftigtal potentieel bewoonbare planeten in de nabijgelegen delen van het Melkwegstelsel. Zijn er meer?

Hoeveel bewoonbare planeten zijn er in het Melkwegstelsel?

Ongeveer de helft van alle sterren heeft minstens 1 planeet met een omlooptijd van minder dan 85 dagen. Waarom die omlooptijd? Omdat hoe langer de omlooptijd, hoe langer een telescoop moet kijken om de transit te zien. Dus het duurt langer ze te ontdekken en er conclusies uit te trekken.

Hoeveel planeten zijn bewoonbaar? Volgens recente schattingen heeft 1 in 5 sterren een bewoonbare planeet. Gebaseerd op de berekeningen van de Kepler-missie en een schatting van het aantal sterren in ons Melkwegstelsel, zouden er 'hier bij ons' zo'n 60 miljard bewoonbare planeten zijn!

Proxima Centauri b: de dichtstbijzijnde superaarde 

Proxima Centauri b (of Proxima b) is ontdekt in 2016. Ze draait rond de rode dwerg Proxima Centauri, de dichtstbijzijnde ster. Proxima b is iets groter dan de Aarde en staat veel dichter bij haar ster, dan Mercurius bij de zon, en ze draait eromheen in 11 dagen. Toch ligt ze in de bewoonbare zone, omdat Proxima Centauri veel zwakker is dan de zon. 

Ondanks problemen, zoals felle x-stralen, grillige flares (zonnevlammen), een sterke zonnewind, zou de omgeving van Proxima wel leven kunnen voortbrengen. De gemiddelde temperatuur van -40 C en het hebben van een atmosfeer, staan water in vloeibare toestand toe. In het beste geval heeft de planeet een magnetisch veld dat als een beschermend schild de zonnewind en flares kan afleiden. Nog niet alles is gezegd over Proxima b.

Trappist: een zonnestelsel van 7 aardachtige planeten!

In 2015 zorgde de studie van een ultrakoele rode dwerg in het Waterman sterrenbeeld, 2MASS J23062928-0502285, voor heel wat ophef. Een Belgisch team van de Universiteit van Luik onthulde een zonnestelsel van maar liefst 7 aardachtige planeten. De ster werd Trappist-1 genoemd, sinds het team uit Luik er de Transit Planets and Planetesimals Small Telescope op richtte. De zeven planeten werden Trappist 1b tot h genoemd en Trappist 1e, f en g bevinden zich in de bewoonbare zone, water kan er vloeibaar zijn. 

De ultrakoele rode dwerg Trappist 1 en haar zeven planeten (artistieke weergave, NASA/JPL Caltech/R. Hurt))
De ultrakoele rode dwerg Trappist 1 en haar zeven planeten (artistieke weergave, NASA/JPL Caltech/R. Hurt))

De planeten hebben een zeer nauwe omloopbaan, maar de ster is ook veel kleiner, net iets groter dan Jupiter, en veel koeler dan de zon. Eigenlijk lijkt dit systeem qua omvang meer op Jupiter en zijn manen dan op ons zonnestelsel. Vanop elke planeet zijn de andere planeten zichtbaar, en lijken ze soms ook groter aan de hemel, dan de maan vanop aarde. 

De kansen op vloeibaar water zijn het grootst op de vierde planeet, Trappist-1e, en het is een van de planeten met de beste kansen op bewoonbaarheid. Misschien is het wel een waterwereld, een planeet volledig bedekt door een oceaan. 

Het Trappist 1-systeem, op 39 lichtjaar, is het enige tot zover bekende zonnestelsel met zeven aardachtige planeten. Dat maakt het een bijzonder belangrijke ontdekking.

Nieuwe ruimtemissies

Trappist 1e, Gliese 581 c en Proxima b zijn slechts enkele van de ontdekte exoplaneten waar leven of bewoonbare omstandigheden mogelijk zijn. Deze en vele andere planeten zullen nu nog grondiger onderzocht worden door nieuwe ruimtemissies zoals PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO), die in 2026 door ESA gelanceerd zal worden, en Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), gelanceerd in 2018 door NASA. Blijf het ruimtenieuws volgen!

Bronnen: 

Super-Earths and Life. An Edx.org online course by Harvard University. References therein. https://www.edx.org/course/super-earths-and-life

Gillon, M., Triaud, A., Demory, BO. et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature 542, 456-460 (2017). https://doi.org/10.1038/nature21360

NASA, What is an exoplanet? https://exoplanets.nasa.gov/what-is-an-exoplanet/planet-types/super-earth/

https://www.sci-news.com/astronomy/science-gj-1214b-gj-436b-weather-exoplanets-01657.html

Kepler Space Telescope.