De planeten worden gezien als prima kandidaten voor buitenaards leven. Onduidelijk is echter nog of ze een atmosfeer bezitten. Maar daar kan snel verandering in komen.

Als alles volgens plan gaat, wordt de James Webb-telescoop in 2021 gelanceerd. De verwachtingen zijn hooggespannen. Want deze telescoop is bijzonder krachtig en gevoelig en zal de atmosfeer van talloze exoplaneten onder de loep gaan nemen. Welke exoplaneten de telescoop precies nader gaat bekijken, is nog onduidelijk. Maar het TRAPPIST 1-systeem – dat uit zeven(!) exoplaneten bestaat – staat hoog op het verlanglijstje van wetenschappers. En nieuw onderzoek wijst uit dat de krachtige telescoop in theorie in staat moet zijn om binnen een jaar vast te stellen of deze exoplaneten een atmosfeer hebben.

Modellen
“De Webb-telescoop is al gebouwd en we hebben wel een idee over hoe deze gaat werken,” aldus onderzoeker Jacob Lustig-Yaeger. “Wij gebruikten een computermodel om de meest efficiënte manier te vinden waarop we de meest basale vraag die we willen stellen, kunnen beantwoorden. Namelijk: hebben deze planeten überhaupt een atmosfeer?”


Over TRAPPIST 1
Het onderzoek van Lustig-Yaeger en collega’s handelt enkel en alleen over de TRAPPIST 1-planeten en de vraag of James Webb hun eventuele atmosferen kan detecteren. Dat de focus juist op dit systeem ligt, is goed te verklaren, zo legt Lustig-Yaeger desgevraagd aan Scientias.nl uit. “We focusten op TRAPPIST 1, omdat het een heel opwindend planetair systeem is dat heel geschikt is voor observaties door huidige en toekomstige telescopen. Ten eerste herbergt TRAPPIST 1 zeven planeten die grofweg net zo groot zijn als de aarde, waarvan er drie te warm lijken te zijn om oceanen op hun oppervlak te bezitten (te weten TRAPPIST 1b, -c en -d), één lijkt daarvoor te koud (TRAPPIST 1h), maar drie lijken op de juiste afstand van hun ster te staan en zich in de leefbare zone te bevinden (TRAPPIST 1e, -f, en -g). Ten tweede bevindt de ster TRAPPIST 1 zich vrij dichtbij ons zonnestelsel, waardoor deze vrij helder is en het dus gemakkelijker is om er met behulp van telescopen meer over te weten te komen. Ten derde is de ster vrij klein – de straal is grofweg vergelijkbaar met die van Jupiter – wat het gemakkelijker maakt om de kleine aardachtige planeten te observeren dan wanneer zij rond een grotere ster zouden cirkelen.”

Planeetovergangen
“Zodra we bevestigd hebben dat er een atmosfeer is, is de volgende vraag wat we over deze atmosfeer en de moleculen waaruit deze is opgebouwd te weten kunnen komen.” De modellen wijzen uit dat James Webb in korte tijd veel kan onthullen over eventuele atmosferen in het TRAPPIST 1-systeem. Zo zou de telescoop binnen een jaar kunnen onthullen of de planeten überhaupt een atmosfeer bezitten. De telescoop maakt daarbij gebruik 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. De onderzoekers kijken daartoe naar de golflengten van het licht wanneer het door de atmosfeer van de planeten beweegt. “Omdat de gassen in de atmosfeer van de planeet alleen licht met heel specifieke kleuren absorberen, heeft elk gas een unieke ‘spectrale vingerafdruk’ die we kunnen gebruiken om de gassen te identificeren en de samenstelling van de atmosfeer van de exoplaneet te onthullen.”

De TRAPPIST 1-planeten staan heel dicht bij hun moederster (alle zeven bevinden ze zich aanzienlijk dichter bij de moederster dan Mercurius bij de zon staat). Hierdoor is hun omlooptijd kort en kun je ze dus ook relatief frequent voor de moederster langs zien bewegen. Afbeelding: ESO / O. Furtak.

De rol van wolken
Het onderzoek van Lustig-Yaeger en collega’s suggereert dat James Webb de TRAPPIST 1-planeten slechts tien keer voor hun moederster langs hoeft te zien bewegen, om de eventuele atmosfeer van alle zeven exoplaneten te kunnen detecteren. Ze gaan er dan voor het gemak vanuit dat de atmosferen wolkenvrij zijn. Mochten er wolken in de atmosfeer van de TRAPPIST 1-planeten te vinden zijn, moeten er namelijk meer planeetovergangen worden geobserveerd. “Wolken in de atmosfeer van exoplaneten maskeren de atmosfeer die eronder ligt,” legt Lustig-Yaeger uit. “Eerder onderzoek heeft uitgewezen dat dit bijvoorbeeld speelt op hete Jupiters, mini-Neptunussen en superaardes. We zijn dit probleem op aardachtige planeten nog niet tegengekomen, omdat we eerder geen telescopen hadden die gevoelig genoeg waren om de atmosfeer van dit soort planeten te observeren.” Maar als de TRAPPIST 1-planeten een atmosfeer bezitten, lijkt het niet onaannemelijk dat er ook wolken in te vinden zijn. “In ons zonnestelsel zien we rotsachtige planeten met wolken: de aarde heeft ze bijvoorbeeld, weliswaar de ene dag meer dan de andere. En Venus is zelfs omhuld met een dikke, wereldwijde wolkenlaag die bestaat uit zwavelzuur. Als er Venus-achtige exoplaneten zijn, dan hebben zij mogelijk ook wolken en ons paper laat zien hoe lastiger het is om de atmosferen van deze planeten te detecteren en nader te bestuderen.” Mochten er rond TRAPPIST 1 planeten cirkelen die geheel omhuld worden door een dikke wolkenlaag, dan moet James Webb naar schatting getuige zijn van wel 30 overgangen om de atmosfeer te kunnen detecteren.

CO2 en zuurstof
James Webb kan dus vaststellen of de veelbelovende TRAPPIST 1-planeten een atmosfeer hebben. Maar wat kan deze ons nog meer over eventuele atmosferen vertellen? We vroegen het Lustig-Yaeger. “We denken dat de James Webb Telescoop waarschijnlijk in staat zal zijn om koolstofdioxide in de atmosfeer van deze planeten te detecteren. Ook zijn we waarschijnlijk in staat om te vertellen of de planeten wolken hebben. Ook hebben we aangetoond dat zuurstof gedetecteerd kan worden – niet als een signaal van leven, zoals in de atmosfeer van de aarde (het grootste deel van het zuurstof in onze atmosfeer wordt geproduceerd door levende organismen, red.) – maar als een aanwijzing dat de planeten in het verleden enorme hoeveelheden water zijn kwijtgeraakt, waardoor de atmosfeer zich gevuld heeft met zuurstof.”


Leven
Zoals gezegd worden de TRAPPIST 1-planeten gezien als goede kandidaten voor buitenaards leven. De ontdekking van een atmosfeer rond één of meerdere van deze planeten zou ze op dat gebied nog veelbelovender maken. Een logische vervolgstap zou dan zijn om op deze planeten daadwerkelijk op zoek te gaan naar eventueel buitenaards leven. Maar of de James Webb Telescoop daar zo geschikt voor is, weet Lustig-Yaeger niet. “Het detecteren en herkennen van leven op exoplaneten is een enorme uitdaging en momenteel ontwikkelen we de gereedschappen en technieken om deze uitdaging aan te gaan. In tegenstelling tot het simpelweg detecteren van een atmosfeer vereist het detecteren van een biosfeer veel tijd om te observeren en een enorme toewijding om de observaties correct te interpreteren (zie kader, red.).”

Aangenomen wordt dat de aanwezigheid van levende wezens op het oppervlak van een planeet zijn sporen achterlaat in de atmosfeer van deze planeet. Dat zien we bijvoorbeeld ook op de aarde, waar een groot deel van het zuurstof in de atmosfeer geproduceerd is door cyanobacteriën en bossen. Je zou kunnen concluderen dat een vergelijkbaar grote zuurstofconcentratie in de atmosfeer van een rotsachtige exoplaneet eveneens wijst op de aanwezigheid van leven. Maar zo simpel is het niet. Zo kan het UV-licht van sterren bijvoorbeeld ook moleculair zuurstof genereren in de atmosfeer van een planeet. De vraag die astrobiologen nu dan ook bezighoudt, is: welke elementen of andere aanwijzingen in de atmosfeer van exoplaneten wijzen onomstotelijk op de aanwezigheid van leven? Ook Nederlandse onderzoekers buigen zich over die vraag. En zij denken bijvoorbeeld dat de trillingsrichting van licht de sleutel is. Daarover kun je hier meer lezen.

“Het is niet duidelijk of de James Webb Telescoop in staat is om leven te detecteren,” vervolgt Lustig-Yaeger. Maar er wordt al nagedacht over opvolgers van James Webb die dat zeker wel kunnen. “Deze telescopen – met name LUVOIR en HabEx – worden van de grond af opgebouwd om leven op exoplaneten te detecteren.”

Zover is het natuurlijk nog niet; James Webb moet nog gelanceerd worden. En we moeten niet vergeten dat deze telescoop – zelfs als deze niet in staat blijkt tot het ontdekken van buitenaards leven – wel tot tal van andere grote ontdekkingen kan leiden. “Ik denk dat het verrassend is hoeveel we mogelijk over de TRAPPIST 1-planeten te weten kunnen komen na getuige te zijn geweest van een handvol planeetovergangen,” benadrukt Lustig-Yaeger. “Het betekent dat welke mysteries deze planeten ook herbergen, wij in staat zullen zijn om ze met James Webb te onderzoeken.”