Je leest:

Aarde 2

Aarde 2

Bewoonbare planeten binnen ons melkwegstelsel

Auteur: | 22 april 2011

Zijn we alleen in het universum? Dit is een vraag die de mensheid al duizenden jaren bezighoudt, zonder vooruitzicht op een antwoord. Totdat in 1988 de eerste exoplaneet werd ontdekt. Vandaag de dag speuren astronomen met de nieuwste telescopen de hemel af naar bewoonbare exoplaneten. Maar waar moeten we zoeken? Zijn ze er, en zo ja, hoeveel? En wat is eigenlijk bewoonbaar? Bestaat ‘Aarde II’?

“Ver weg in de nooit in kaart gebrachte, achtergebleven gebieden aan de weinig gewilde kant van de Westelijke Spiraalarm van de Melkweg, ligt een kleine, onaanzienlijke gele zon. In een baan hieromheen cirkelt op een afstand van ruwweg honderdvijftig miljoen kilometer een volslagen onbeduidend blauwgroen planeetje, bewoond door aapachtige levensvormen die zo verbijsterend primitief zijn dat ze nog altijd denken dat het digitale horloge een geweldige uitvinding is.”

In dit fragment uit ‘Het Transgalactisch Liftershandboek’ illustreert science-fictionschrijver Douglas Adams de nietigheid van ons aardse leven. Wij mensen mogen volgens hem dan primitief zijn, maar we hebben voorlopig niemand om onszelf mee te vergelijken. Volgens zijn boek wordt ons Melkwegstelsel bevolkt door talloze intelligente beschavingen, maar daar hebben wij hier op aarde nog niets van gemerkt.

Vreemde science-fictionverhalen daargelaten is de vraag of er buitenaards leven bestaat een serieus onderwerp van discussie. Voorstanders zeggen dat het heelal zo gigantisch groot is dat we de kans dat we de enigen zijn kunnen verwaarlozen. We hebben al bewijs dat er één leefbare planeet bestaat. Waarom zouden de oneindige aantallen andere planeten allemaal onbewoonbaar zijn? Volgens hen is de aarde niet buitengewoon speciaal. “Maar,” vragen de sceptici zich terecht af, “als leven zo’n veelvoorkomend verschijnsel is, waar is iedereen dan?”

Dit antwoord moeten we hen tot nu toe helaas schuldig blijven. Ondanks steeds betere astronomische waarnemingen hebben we nog geen buitenaards leven kunnen aanwijzen. Wel verzamelen we bakken aan informatie over exoplaneten. Kunnen we hiermee geen schatting maken van de waarschijnlijkheid dat buitenaards leven bestaat, al is het slechts binnen ons melkwegstelsel? Als we ervan uitgaan dat er leven ontstaat waar dat mogelijk is, moeten we hiervoor het aantal leefbare planeten in onze Melkweg uitrekenen. Maar wanneer is een planeet ‘leefbaar’? Ons enige referentiekader hiervoor is die ene bewoonbare planeet die we kennen: de aarde.

Atmosfeer

Eén van de randvoorwaarden van een leefbare planeet is een atmosfeer. Deze is noodzakelijk omdat we zonder atmosfeer de stoffen die we nodig hebben niet uit de lucht zouden kunnen halen. Bovendien zouden we kwetsbaar zijn voor inslagen van meteorieten en gevaarlijke straling van de zon. Je hoeft alleen maar naar de maan te kijken om te zien dat dit geen positieve invloed heeft op de woonplaats van eventuele levensvormen.

Hoe komt een planeet aan haar atmosfeer? Waarom heeft de aarde een atmosfeer en de maan niet? Om haar atmosfeer te kunnen behouden moet Aarde II een bepaalde massa hebben. Als die te klein is heeft ze te weinig zwaartekracht om de atmosfeer bij zich te houden. Dit is ook de reden dat de maan en Mercurius geen atmosfeer hebben. Is de massa juist te groot, dan trekt de planeet teveel stoffen aan waardoor het een gasreus wordt, zoals Jupiter. De goede massa ligt tussen 0,8 en 2,2 aardmassa’s.

Tot nu toe zijn er ongeveer 300 exoplaneten ontdekt die binnen deze marge vallen. Sinds 11 januari 2011 heeft exoplaneet Kepler-10b de titel van kleinste exoplaneet ooit ontdekt op zijn naam staan. Deze planeet heeft een straal van 1,4 aardstralen en een massa van 4,6 aardmassa’s en is volgens de ontdekkers zeker rotsachtig. Helaas sluit de temperatuur van de exoplaneet, 1610°C, de aanwezigheid van vloeibaar water uit.

↑ Terug naar boven ↑

Water

Vloeibaar water is cruciaal voor het bestaan van leven. We weten dat cellen, de kleinste onderdelen van al het leven op Aarde, bestaan uit een celmembraan gemaakt van vetzuren. Dit membraan is gevuld met water waarin organische stoffen als DNA, RNA, eiwitten en nucleïnezuren drijven. Een cel, en daarmee leven, bestaat dus grotendeels uit water. Dat water is ook nodig om biochemische reacties als hydrolyse te laten verlopen.

Stanley Miller en Harold Urey probeerden de begincondities voor het leven op aarde na te bootsen in hun laboratorium. In een afgesloten omgeving met water en verschillende chemische stoffen bleken spontaan aminozuren te ontstaan, de bouwstenen van DNA.
Teadmata, vrijgegeven in het publieke domein

Het vinden van water is dus een belangrijke aanwijzing voor de aanwezigheid van leven. Er is al water waargenomen op een planeet buiten ons zonnestelsel. In 2007 vonden NASA-astronomen met behulp van de Hubble Space Telescope voor het eerst waterdamp in de atmosfeer van exoplaneet HB 209458-b. Helaas is deze planeet een reusachtige gasplaneet, die bovendien veel te dicht bij haar ster staat – zo’n honderd keer dichterbij dan Jupiter bij onze zon. De hoge temperatuur van de planeet zorgt ervoor dat er alleen waterdamp kan bestaan.

Onze Aarde II moet dus aan meer voorwaarden voldoen. Want wat gebeurt er als er alleen kokend water of juist ijs aanwezig is? Kokend water verdampt en kan niet worden gebruikt door cellen. Bevroren water is ook onbruikbaar. Je kunt er niets in oplossen. Bovendien prikt het scherpe kristalrooster van het ijs door celwanden heen. Kortom, de temperatuur op Aarde II moet zodanig zijn dat water vloeibaar blijft: tussen de 0°C en 100°C. Hiervoor moet de planeet precies ver genoeg van haar ster afstaan. De zone rondom een ster waarin de planeettemperatuur geschikt is voor vloeibaar water heet de ‘Circumstellar Habitable Zone’ of ‘bewoonbare zone’. Om binnen deze zone te blijven moet de energieproductie van de ster voor langere tijd constant zijn.

↑ Terug naar boven ↑

Energie

Het behouden van de geschikte temperatuur op Aarde II hangt niet alleen af van de afstand tot de ster, maar ook van het soort ster. Welke sterren zijn geschikt voor deze taak? Hiervoor kijken we naar de kernfusie-energie die ze opwekken. Die levert een ster uiteindelijk aan haar planeet in de vorm van straling. De druk die nodig is voor het samenpersen van de waterstof wordt geleverd door de zwaartekracht. Deze druk bepaalt hoe snel de fusie verloopt. Hoe zwaarder de ster, hoe hoger de druk, hoe meer fusie er plaatsvindt en hoe sneller de brandstof opraakt.

De energie van de zon wordt geproduceerd door fusie van waterstof tot helium.

Als de ster te zwaar is zal de waterstof zo snel opraken dat er niet genoeg tijd is voor het ontstaan van complexe levensvormen. De ster wordt zo snel heter dat een planeet die zich eerst nog binnen de bewoonbare zone bevond binnen korte tijd zo warm is dat al het water verdampt. Dit is het geval als de ster meer dan anderhalf keer zo zwaar is als onze zon.

Bij sterren lichter dan een halve zonsmassa treedt ook een probleem op. De bewoonbare zone ligt dan zo dicht bij de ster dat er gebonden rotatie optreedt. De planeet staat dan altijd met dezelfde kant naar de ster toe, net als de maan die altijd met dezelfde kant naar de aarde staat. Hierdoor verdampen alle gassen van de atmosfeer op de ‘hete helft’ van de planeet, om vervolgens op de ‘koude helft’ neer te slaan.

De conclusie is dat een geschikte moederster voor Aarde II meer dan een halve maar minder dan anderhalve zonsmassa moet wegen.

Bewoonbare zone (de blauwe strook) rondom de zon (boven) en de ster Gliese 581 (onder). In het geval van de zon vallen de aarde en Mars binnen deze zone.

↑ Terug naar boven ↑

Stabiele baan

NASA

De baan van Aarde II kan wel binnen de bewoonbare zone liggen, maar ze moet daar ook blijven. Hiervoor moet de baan van onze planeet om haar ster stabiel zijn. In een systeem met één ster is dit nagenoeg altijd het geval, maar wat als Aarde II zich in een systeem met twee of meer sterren bevindt? Het behouden van een stabiele planeetbanen binnen een systeem met drie of meer sterren is vrijwel onmogelijk, maar in een dubbelstersysteem kunnen deze wel bestaan.

Een planeet met twee sterren? Hoe zou dat eruit zien? In een zogenaamd ‘wijd dubbelstersysteem’ moet de planeet op een afstand van niet meer dan een vijfde tot een derde van de onderlinge sterafstand staan. Planeten kunnen ook in een ‘compact dubbelstersysteem’ hun baan beschrijven door om de dubbelster als geheel heen te draaien. Om een stabiele planeetbaan mogelijk te maken moet de onderlinge sterafstand onder de 3 of boven de 50 astronomische eenheden (AE) liggen. Een astronomische eenheid is gedefinieerd als de afstand tussen de aarde en de zon.

Een planeet in een compact dubbelstersysteem heeft twee zonnen die vlak bij elkaar staan.

↑ Terug naar boven ↑

Geschikt materiaal

We hebben het tot nu toe gehad over de eisen waaraan Aarde II moet voldoen, maar hoe ontstaat zo’n planeet? We hebben een rotsachtige planeet nodig. Na de oerknal bestond het universum bijna enkel uit waterstof. De eerste sterren fuseerden dit waterstof tot helium en van daaruit tot zwaardere elementen, zoals metalen. Astronomen noemen de hoeveelheid metalen die een ster of gaswolk bezit de ‘metalliciteit’. Een hoge metalliciteit is nodig om de solide rotsplaneten te vormen waarop leven kan ontstaan. Bij sterren met een metalliciteit lager dan 60% van die van de zon worden bijna geen rotsachtige planeten gevonden.

De metalliciteit moet ook niet te hoog zijn, anders vormen zich in het jonge planetenstelsel van de nieuwe ster grote gasreuzen die de kleinere rotsplaneten opslokken. Ook zou Aarde II in zo’n omgeving last krijgen van de drukte. De kans om te botsen met naburige hemellichamen is daar veel hoger. Bij een metalliciteit hoger dan twee keer die van onze zon loopt de planeet bovendien het risico om ‘gekookt’ te worden door straling van supernovae, gammaflitsen of uitbarstingen van zwarte gaten.

De metalliciteit hangt samen met de afstand tot het centrum van ons melkwegstelsel. In het centrum is die hoog en ze wordt naar buiten toe steeds lager, omdat de zware metalen door de zwaartekracht naar het centrum worden getrokken. De zone binnen ons Melkwegstelsel waar de metalliciteit geschikt is voor het vormen en behouden van rotsplaneten noemt men de Galactic Habitable Zone (GHZ). In deze zone ligt de metalliciteit tussen de 60% en 200% van die van de zon. In onze Melkweg ligt deze zone tussen de 14.700 en 37.500 lichtjaren van het centrum.

↑ Terug naar boven ↑

Weg met de Drake-vergelijking!

SETI

We weten nu de voorwaarden voor leven, maar hoe bepalen we hiermee het aantal leefbare planeten? Een wetenschapper die zich als een van de eersten bezighield met de mogelijkheid van buitenaards leven is de Amerikaanse radioastronoom Frank Drake. Hij is de eerste die met behulp van een radiotelescoop op zoek is gegaan naar berichten van intelligente beschavingen buiten ons zonnestelsel. Daarmee werd hij de oprichter van SETI: Search for Extra Terrestrial Intelligence (Zoektocht naar Buitenaardse Intelligentie). Maar zijn beroemdste prestatie is het opstellen van de naar hem genoemde Drake-vergelijking.

De vergelijking van Drake

Arnout Jaspers

Hierboven staat de beroemde vergelijking waarmee Frank Drake probeerde uit te rekenen hoe groot de kans op intelligent buitenaards leven is. Daarin staan de volgende symbolen: R* = gemiddelde snelheid waarmee sterren worden gevormd fp = fractie van die sterren met planeten ne = gemiddelde aantal aarde-achtige planeten fl = fractie van die planeten die leven ontwikkelt fi = fractie van die planeten waar zich intelligent leven ontwikkelt fc = fractie van die planeten die technologie ontwikkelt L = levensduur van communicerende beschavingen in jaren.

Frank Drake en Carl Sagan stuurden dit bericht de ruimte in, in de hoop dat buitenaardse wezens daarmee kunnen begrijpen wie we zijn, en waar we zijn.

Volgens Drake kan je met zijn vergelijking het aantal intelligente beschavingen binnen onze Melkweg schatten dat in staat is tot interstellaire communicatie. De vergelijking – die een vermenigvuldiging is van een hele hoop kansen maal het aantal sterren binnen onze Melkweg – lijkt wetenschappelijk, maar het tegendeel is waar. Het overgrote deel van de parameters kan niet worden achterhaald door middel van de huidige of toekomstige wetenschap. Variabelen als fc en L zijn simpelweg niet in te vullen. Dit soort schattingen kunnen wij als mensheid niet op een verantwoorde manier maken.

Het feit dat ne slechts één parameter in Drake’s vergelijking is, toont al de onnauwkeurigheid ervan aan. Toen Drake in 1961 zijn vergelijking bedacht, schatte hij dit aantal op ne= 2. Dit zou betekenen dat van alle sterren met planeten, inclusief onze zon, twee planeten leefbaar zijn. We hoeven maar naar ons zonnestelsel te kijken om te zien dat dit niet klopt. De enige planeet binnen ons zonnestelsel die zich binnen de bewoonbare zone bevindt is onze eigen Aarde I. Inmiddels hebben waarnemingen van exoplaneten uitgewezen dat lang niet alle sterren met planeten ook geschikt zijn voor de ontwikkeling van leven.

↑ Terug naar boven ↑

De zeldzame aarde

Twee astronomen die het niet eens waren met de Drake-vergelijking zijn Peter Douglas Ward en Donald Brownlee. In reactie op Drake’s optimistische schattingen formuleerden zij de ‘Zeldzame Aarde Hypothese’ (Rare Earth Hypothesis). Hiermee stellen ze dat de aarde zeer zeldzaam is, misschien zelfs de enige planeet met intelligent leven in onze Melkweg. Ze baseren zich op het feit dat er aan een groot aantal voorwaarden moet worden voldaan om leven, laat staan intelligente beschavingen, mogelijk te maken.

NASA/Hubble

Met hun aangepaste Drake-vergelijking, de ‘Zeldzame Aarde-vergelijking’, geven ze een schatting van het aantal planeten binnen de Melkweg waarop zich complexe levensvormen ontwikkelen (N). In deze formule verwerken ze enkele van de in dit artikel uitgewerkte voorwaarden, maar ook: fi, de geschatte kans dat bacterieel leven zich ontwikkelt, fc, de kans dat dit leven zich tot complexe levensvormen ontwikkelt en fl, de levensduur van deze complexe levensvormen. Naar hun schatting ligt N tussen de 0 en de 1. Aangezien de aarde al één planeet met complex leven is, zou dit betekenen dat we alleen zijn in de Melkweg.

Natuurlijk wordt ook deze vergelijking door andere wetenschappers voorzien van heftig commentaar. Het is moeilijk in te schatten of de kans dat zich op een leefbare planeet daadwerkelijk leven ontwikkelt echt zo klein is als Ward en Brownlee beweren. Veel exobiologen stellen juist dat het waarschijnlijk is dat op elke planeet waarop het ontstaan van leven mogelijk is, dat ook gebeurt. Dit is gebaseerd op het feit dat de aarde, van de 4,5 miljard jaar die ze bestaat, al 3,5 miljard jaar bevolkt wordt door leven.

Ook door de ontdekking van de exoplaneet Gliese 581g in 2010 kwam hun hypothese op losse schroeven te staan. Deze superaarde, met een massa tussen de 3,1 en 4,3 aardmassa’s, bevindt zich precies in de bewoonbare zone van zijn ster. Dat we zo kort na het begin van onze zoektocht naar exoplaneten een exemplaar vinden dat zoveel op de aarde lijkt pleit tegen het idee dat deze zeldzaam is.

↑ Terug naar boven ↑

Een nieuwe vergelijking

Verschillende astronomen hebben verschillende opvattingen over de waarschijnlijkheid van buitenaards leven. Volgens Drake wemelt de Melkweg van de intelligente beschavingen en moeten we contact met ze zoeken, volgens Ward en Brownlee zijn we hoogstwaarschijnlijk de enigen. Wat moeten we hiervan denken? Is ons aardse leven zeldzaam of niet? De aannames die we moeten maken over de ontwikkeling en levensduur van (complex) leven op bewoonbare planeten maken het haast onmogelijk om het aantal bewoonde planeten binnen de Melkweg nauwkeurig te schatten. Voorlopig kennen we alleen de aarde als bewoonde planeet, dus hebben we niet genoeg vergelijkingsmateriaal om deze biologische factoren mee te nemen in de berekeningen. Dus wat weten we wel?

We kennen de voorwaarden voor leven die in dit artikel zijn uitgewerkt. Met behulp van deze voorwaarden kunnen we het aantal planeten binnen de Melkweg schatten waarop leven mogelijk is, ongeacht de vraag of en hoe dit zich ontwikkelt. We stellen een vergelijking op die het aantal leefbare planeten binnen ons melkwegstelsel schat en waarvan de in te vullen waarden voor de parameters redelijk bekend zijn:

De symbolen in deze formule betekenen:

  • Ne = Het aantal planeten in onze Melkweg waarop leven mogelijk is.
  • n* = Het aantal sterren in ons melkwegstelsel. Dat zijn er zo’n 200 miljard.
  • fGHZ = De fractie van deze sterren die zich binnen de Galactic Habitable Zone bevindt. Een goede schatting hiervoor is 20%.
  • f*m = De fractie van deze sterren met de juiste massa (tussen de 0,5 en 1,5 zonsmassa’s). 22,7% van de sterpopulatie in onze Melkweg valt tussen die grenzen.
  • fP = De fractie van deze sterren waaromheen een stabiele planeetbaan bestaat. Een schatting van NASA met behulp van de Spitzertelescoop is 40%.
  • fCHZ = De fractie van deze planeten die zich binnen de bewoonbare zone van zijn ster bevindt. De Keplertelescoop heeft tot nu toe 1235 planeten ontdekt, waarvan 54 binnen de bewoonbare zone. 4,4% is dus een redelijke schatting.
  • fPm = De fractie van deze planeten met de juiste massa (tussen de 0,8 en 2,2 aardmassa’s). 24% van de Keplerplaneten is lichter dan twee aardmassa’s.

Het invullen van deze getallen in de vergelijking laat ons zien dat om ongeveer 0,02% van de sterren een leefbare planeet cirkelt. Dit lijkt een klein getal, maar vermenigvuldig dit met het aantal sterren in ons melkwegstelsel en je vindt: Ne = 38 miljoen. Dit zou betekenen dat de Melkweg naast onze aarde door nog miljoenen andere leefbare planeten bevolkt wordt. Exoplaneten waarop planten en dieren zouden kunnen leven die wij ons alleen maar voor kunnen stellen, misschien zelfs intelligente beschavingen.

In de groene regio in het middelste plaatje kunnen bewoonbare planeten voorkomen.

Als deze schatting klopt, hoe ver is het dan reizen naar de dichtstbijzijnde leefbare planeet? Om hier achter te komen kunnen we een schatting maken van de gemiddelde afstand tussen deze planeten. Hiervoor berekenen we eerst het volume waarbinnen de leefbare planeten zich kunnen bevinden, namelijk dat van de Galactic Habitable Zone. Deze donutvormige regio ligt tussen de 14.700 en 37.500 lichtjaren van het melkwegcentrum, en is ongeveer 3000 lichtjaren hoog. De berekening komt uit op een volume van 11 miljard kubieke lichtjaar. Door dit te delen door het aantal leefbare planeten, 38 miljoen, vinden we een volume van 295.184 kubieke lichtjaar per leefbare planeet. Als we er vanuit gaan dat de leefbare planeten op ongeveer gelijke afstand van elkaar staan, omgeven door een ‘onleefbare’ bol van dit volume, hoeven we alleen de straal van deze bol te berekenen om de afstand tussen de leefbare planeten te schatten. Dit komt uit op een afstand van 41,3 lichtjaren.

Vergeleken met de dichtstbijzijnde bewoonbare exoplaneet ligt de maan in onze achtertuin.

Natuurlijk is deze grove schatting slechts een zeer gesimplificeerde versie van de werkelijkheid, maar ze geeft op zijn minst een orde van grootte weer. Bovendien scheppen astronomische waarnemingen de hoop dat 41,3 lichtjaren helemaal geen gekke benadering is. De eerst gevonden relatief lichte exoplaneet die zich binnen de bewoonbare zone van zijn ster bevindt, Gliese 581g, staat namelijk slechts 20,4 lichtjaren van ons vandaan, vergelijkbaar met onze ruwe benadering.

Er moet nog veel meer onderzoek gedaan worden naar exoplaneten om een goede schatting te kunnen maken van het aantal leefbare planeten binnen onze Melkweg. De gevoeligheid van onze telescopen wordt steeds groter, waardoor we steeds meer en steeds kleinere exoplaneten kunnen detecteren. De zoektocht naar leefbare exoplaneten is nog in volle gang, maar als deze benadering klopt kunnen we hoogstwaarschijnlijk hoopvol uitkijken naar de eerste detectie van een echte Aarde II.

Planetenzoeker Kepler

De Keplersatelliet speurt een klein deel van de hemel nauwgezet af op zoek naar exoplaneten. De eerste resultaten zijn verpletterend: de satelliet vindt veel meer en kleinere exoplaneten dan we verwachtten.

↑ Terug naar boven ↑

Dit artikel is een publicatie van Kennislink (correspondentennetwerk).
© Kennislink (correspondentennetwerk), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 april 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.