En dat inzicht kan ons tegelijkertijd helpen om gemakkelijker de atmosferen van potentieel bewoonbare exoplaneten te herkennen.

Onze aarde beschikt over een relatief heldere hemel. Maar dat geldt niet voor elke planeet. Veel exoplaneten hebben ondoorzichtige atmosferen, verduisterd door wolken of nevel. En dat maakt het voor astronomen behoorlijk lastig om de chemische samenstelling van de atmosfeer van zo’n mysterieuze exoplaneet te achterhalen. In een nieuwe studie besloten onderzoekers op zoek te gaan naar wat er eigenlijk aan dergelijke wazige atmosferen ten grondslag ligt. En in hoeverre vertelt dit eigenlijk iets over de leefbaarheid van de planeet?

Atmosferisch onderzoek
Op dit moment ziet de zoekstrategie naar buitenaards leven er als volgt uit: onderzoekers bestuderen de atmosfeer van een exoplaneet en proberen chemische verbindingen die worden geproduceerd door levende wezens te herkennen. Denk hierbij bijvoorbeeld een de enorme hoeveelheid zuurstof die in de atmosfeer rond de aarde zit. “De atmosferische samenstelling van een planeet kan ons vertellen of een exoplaneet al dan niet leven herbergt,” vertelt onderzoeker Xinting Yu in gesprek met Scientias.nl. “We gaan eigenlijk op zoek naar zogenaamde biosignaturen (chemische of fysische verschijnselen die veroorzaakt worden door levensvormen, red.). Sommige specifieke gassen of een combinatie daarvan kunnen vervolgens wijzen op een actieve biosfeer. We zouden zelfs de atmosferische samenstelling kunnen gebruiken om te achterhalen of een exoplaneet een vast of vloeibaar oppervlak heeft.”

Wazig
Maar helaas gaat dat onderzoek niet zonder slag of stoot. “Dit alles is niet mogelijk als de atmosfeer van een exoplaneet wazig is en nevels alle spectrale kenmerken van de atmosferische gassen omsluieren,” legt Yu uit. In de nieuwe studie besloten de onderzoekers daarom op te zoek te gaan naar wat er eigenlijk voor zorgt dat sommige exoplaneten door een wazig gordijn omhuld zijn én wat dit vervolgens vertelt over de leefbaarheid.

Neveldeeltjes
Omdat het helaas niet mogelijk is om daadwerkelijk deze ‘wazige deeltjes’ van exoplaneten te verzamelen, hebben de onderzoekers gepoogd de atmosferische omstandigheden op verre werelden in het laboratorium na te bootsen. Het team mat de eigenschappen van neveldeeltjes die onder verschillende omstandigheden die representatief zijn voor de atmosferen van exoplaneten – denk aan een reeks gassamenstellingen, temperaturen en energiebronnen – werden gesimuleerd.

Zo zit het
Uiteindelijk slaagden de onderzoekers erin een helder beeld te scheppen van hoe dik bepakte sluiers rondom sommige exoplaneten ontstaan. En uit de resultaten blijkt dat fotochemische reacties in de atmosfeer van gematigde exoplaneten tot de vorming van kleine, organische ‘waasdeeltjes’ leidt. “Hoe wazig een atmosfeer van een exoplaneet is wordt bepaald door hoeveel neveldeeltjes er in de atmosfeer behouden blijven,” concludeert Yu. “Het gaat dus om een delicate balans tussen de productie en verwijdering van dergelijke deeltjes. Wanneer er veel deeltjes geproduceerd worden die vervolgens heel langzaam oplossen, blijven er dus onderaan de streep meer neveldeeltjes in de atmosfeer hangen.” Elke dag vormen zich grote hoeveelheden van soortgelijke fotochemische neveldeeltjes in de atmosfeer van onze aarde. Maar omdat deze deeltjes door verscheidende processen eruit worden gefilterd, beschikt onze aarde toch over een relatief heldere hemel.

Plakkerig
Nu dit is opgehelderd, blijft er nog een andere prangende vraag bestaan. Want wat drijft eigenlijk de snelheid waarmee dergelijke deeltjes uit de atmosfeer worden verwijderd? Volgens Yu heeft dat te maken met de zogenoemde oppervlakte-energie. “Oppervlakte-energie beschrijft hoe ‘plakkerig’ deeltjes zijn,” legt ze uit. Wanneer kleverige deeltjes botsen, hechten ze gemakkelijk aan elkaar en groeien uit tot grotere deeltjes. De waasdeeltjes die op aarde worden geproduceerd hebben doorgaans een hoge oppervlakte-energie en zijn daarom ‘plakkerig’ en worden efficiënt uit de atmosfeer verwijderd. De laboratoriumexperimenten laten echter zien dat de nevels in de atmosferen van exoplaneten heel divers kunnen zijn. “Sommige lijken op aardnevel; ze hebben een hoge oppervlakte-energie wat leidt tot een heldere hemel,” vertelt Yu. “Maar sommige hebben ook een hele lage oppervlakte-energie, vergelijkbaar met een pan met antiaanbaklaag. Ze hechten niet zo goed aan andere deeltjes en blijven lang afzonderlijk van elkaar in de atmosfeer hangen.”

Temperatuur
Uit het onderzoek blijkt dat de temperatuur een belangrijke factor is is bij het ontstaan van de neveldeeltjes. Waasdeeltjes geproduceerd bij ongeveer 126 graden Celsius hebben bijvoorbeeld een veel lagere oppervlakte-energie, wat leidt tot een minder efficiënte verwijdering van de deeltjes en dus tot wazigere atmosferen. “Exoplaneten met temperaturen tussen de 126 en 226 graden Celsius zijn het wazigst,” merkt Yu op. “Koelere planeten die zich in de leefbare zone van hun moederster bevinden, hebben meer kans op een heldere atmosfeer. Dat komt omdat nevels vaak een hogere oppervlakte-energie hebben bij lagere temperaturen, waardoor er een relatief heldere hemel ontstaat. We hoeven ons dus mogelijk geen zorgen te maken dat bewoonbare exoplaneten te wazig zijn voor toekomstige waarnemingen.”

Leefbare exoplaneten
Volgens de onderzoekers kunnen deze nieuwe resultaten helpen om gemakkelijker de atmosferen van potentieel bewoonbare exoplaneten te herkennen. “Het geeft ons meer vertrouwen dat we met de aankomende James Webb-telescoop de atmosferen van bewoonbare planeten aan het licht zullen brengen,” zegt Yu. “Op basis van onze experimenten zouden neveldeeltjes efficiënt uit de atmosferen van bewoonbare planeten verwijderd worden, wat leidt tot heldere atmosferen. Dat wil overigens niet zeggen dat er helemaal geen wazig gordijn bestaat. Wel betekent dit dat er minder dichte sluierbewolking is in vergelijking met de warmere exoplaneten. En daardoor zullen we beter in staat zijn om de atmosferische samenstelling van dergelijke planeten te achterhalen.”

Astronomen kijken reikhalzend uit naar de lancering van de aankomende James Webb-telescoop. De telescoop gaat gebruik maken van de zogenoemde transit-methode. Dat betekent dat de telescoop toekijkt hoe de planeten voor hun moederster langs bewegen en – wanneer ze een atmosfeer bezitten – hoe het sterlicht door die atmosfeer sijpelt. Zo kan niet alleen vastgesteld worden of de planeten een atmosfeer bezitten, maar ook uit welke gassen deze zijn opgebouwd. Dit werk wordt echter bemoeilijkt als de atmosfeer van een exoplaneet heel wazig is. Al is het dus de vraag of dergelijke exoplaneten überhaupt interessant zijn voor onze zoektocht naar leven. Toch kunnen dergelijke wazige exoplaneten nog steeds waardevolle informatie opleveren, zo stellen de onderzoekers. Want volgens hen zijn dergelijke dikke gordijnen die mysterieuze exoplaneten omhullen niet karakterloos. Met betere telescopen zouden we zelfs in staat moeten zijn om de samenstelling ervan te achterhalen en hun chemie te begrijpen. En op die manier worden zelfs de meest raadselachtige planeten een stukje minder geheimzinnig.