En waar water is, is mogelijk leven…

In onze zoektocht naar buitenaards leven hebben astronomen hun pijlen gericht op planeten die zich binnen de zogenoemde leefbare zone van hun ster bevinden, wat betekent dat er mogelijk vloeibaar water op het oppervlak van de planeet voorkomt. Kijken we echter in ons zonnestelsel, dan blijkt dat het meeste vloeibare water zich buiten dit gebied ophoudt. Enceladus, Europa en een stuk of zes andere manen van Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus herbergen mogelijk heuse ondergrondse oceanen. Manen van koude gasreuzen worden namelijk door getijdekrachten opgewarmd tot boven het vriespunt. Het betekent dat we er mogelijk goed aan zullen doen om ook in de jacht op leven exomanen in ogenschouw te nemen. Maar hoe weten we welke van deze verre – en tot op heden nog onontdekte – werelden water herbergen?

De leefbare zone is een denkbeeldige zone rond een ster. Planeten die zich in deze zone bevinden, ontvangen voldoende warmte van de ster om te voorkomen dat eventueel water op hun oppervlak bevriest. Tegelijkertijd ontvangen ze ook weer niet zoveel warmte dat eventueel water op hun oppervlak verdampt. Kortom: van planeten in deze zone wordt verwacht dat ze vloeibaar water kunnen herbergen.

Exomanen
Exomanen hebben al langer de belangstelling van onderzoekers gewekt. Dat komt omdat ze inderdaad vloeibaar water kunnen herbergen én omdat er mogelijk veel meer manen dan planeten bestaan. In ons zonnestelsel zijn er bijvoorbeeld tal van manen te vinden. Behalve onze aarde en Mars, hebben ook Jupiter, Saturnus, Neptunus en Uranus allemaal natuurlijke satellieten (Jupiter telt er zelfs 79!). In totaal zijn er – voor zover we weten – 175 manen in ons zonnestelsel te vinden. Het betekent dat als we uitgaan van ons eigen zonnestelsel, er veel meer mogelijkheden liggen in de manen van de planeten.


Leefbare omstandigheden
De zoektocht naar buitenaards leven zouden we dus best kunnen uitbreiden van alleen planeten die zich in de leefbare zone bevinden, naar de manen daar buiten. “Volgens de meest gangbare definitie heeft ons zonnestelsel twee planeten met een leefbaar oppervlak: de aarde en Mars,” legt onderzoeker Jesper Tjoa aan Scientias.nl uit. “Daarentegen zijn er in ieder geval twee en hoogstwaarschijnlijk meer manen met mogelijk vloeibaar water onder hun oppervlak (van Enceladus en Europa weten we het zeker, op Ganymedes, Callisto, Rhea, Titania, Oberon, Triton zou het mogelijk kunnen zijn). Als je dat doortrekt naar andere planetenstelsels zouden er viermaal zoveel leefbare exomanen kunnen zijn als leefbare exoplaneten. Het is dus niet onwaarschijnlijk dat exomanen universeel de grootste fractie van het bewoonbare real estate in het universum beslaan.”

” Er zouden viermaal zoveel leefbare exomanen kunnen zijn als leefbare exoplaneten”

Planetenjagers
Toch is het nog niet zo eenvoudig om een exomaan op te sporen. Want tot op heden hebben astronomen nog geen maantje aan het licht weten te brengen. Waarom dat zo lastig is? Dat heeft meerdere redenen (zie kader). Toch wordt er met man en macht gewerkt aan krachtige planetenjagers – zoals de toekomstige PLATO-telescoop – die ook exomanen zouden kunnen ontdekken. En als er zo’n maan wordt gevonden, is het natuurlijk heel belangrijk om te achterhalen of deze vloeibaar water herbergt. Onderzoekers van SRON hebben daarom nu een formule opgesteld waarmee ze voor elke maan kunnen berekenen of er een ondergrondse oceaan aanwezig is en zo ja, hoe diep deze zich bevindt.

Waarom zijn exomanen lastig te vinden?
“In de eerste plaats zijn de instrumenten die we voor handen hebben – hoe mooi deze ook zijn – op dit moment amper gevoelig genoeg om de signalen waar we naar op zoek zijn te detecteren,” legde onderzoeker Alex Teachey al eerder aan Scientias.nl uit. “En dat is wanneer alle variabelen gunstig zijn. Daarnaast verwachten we dat de manen klein zijn (kleiner dan de aarde) en het is erg moeilijk om zulke kleine werelden te vinden. Bovendien verwachten we dat de exoplaneten die manen herbergen zich op redelijk grote afstanden van hun moederster bevinden. Dit betekent dat deze planeten veel minder vaak voorbij komen en we daarom minder kansen krijgen om ze waar te nemen.”

“De formule leidden we af op basis van een paar aannames, waaronder dat de interne hitte van de maan louter door geleiding naar buiten kan en dat de kern van de maan uniform in samenstelling is,” legt Tjoa desgevraagd uit. “Vervolgens berekenen we, aan de hand van de belichting van het oppervlak door de zon en de nabije planeet, de temperatuur aan de oppervlakte, en dan de temperatuur onder de isolerende maangruislaag (meestal enkele tientallen meters; deze laag heeft een hele lage geleidingscoëfficiënt, ongeveer duizend keer lager dan die van de ijskorst). Dan berekenen we de totale interne hitte van de maan, zowel door radioactief verval in de kern van de maan als door getijdenkrachten van de gastheer-planeet. Zodra we zowel de interne hitte als de oppervlaktetemperatuur hebben kunnen we, aan de hand van zeventien min of meer vrije parameters, de temperatuurcurve door de maan heen berekenen. Deze vergelijking geeft dan de diepte waarop die temperatuurcurve de smelttemperatuur van waterijs bereikt, gegeven een bepaalde massafractie ammonia (wat veel voorkomt in het buitenste zonnestelsel).”


Betrouwbaar

De vraag is natuurlijk hoe betrouwbaar deze formule is. “De formule is zo betrouwbaar als de aannames waarop die gebouwd is,” stelt Tjoa. “In de praktijk houden weinig manen zich letterlijk aan onze aannames; Enceladus (de ijsmaan van Saturnus) heeft bijvoorbeeld geisers, en verliest zo hitte. Daarom geeft onze vergelijking geen definitieve waarde, maar een soort minimumdiepte – in andere woorden, we kunnen nu vaststellen op welke minimumdiepte een ijsmaan een oceaan heeft als deze maan louter aan geleiding zou doen. Doet de maan nog aan andere technieken van hitteverlies, dan bevindt de oceaan zich dieper dan dat. De vergelijking is daarom handig om, bij een toekomstige ontdekking van een exomaan, snel te kunnen zeggen of een oceaan in principe mogelijk is.”

Buitenaards leven
En waar water is, is mogelijk ook leven. Maar hoe groot is de kans eigenlijk echt dat er leven bestaat op exomanen? “Ik acht die kans groot,” zegt Tjoa. “Het universum is een verdraaid grote plek. “Ons melkwegstelsel alleen al heeft ~250 miljard sterren. Als we (extreem pessimistisch zijn en) aannemen dat slechts een op de tien sterren een planeet heeft, en slechts een op die honderd planeten een maanstelsel, en slechts een op de duizend maanstelsels een bewoonbare maan bezit, dan kom je nog steeds uit op 250.000 bewoonbare exomanen. Die hoeven natuurlijk lang niet allemaal daadwerkelijk bewoond te zijn, maar toch geeft dat nog altijd een enorme speelruimte. Een kanttekening daarbij is wel dat het met afstand het waarschijnlijkst is dat het leven daar uit bacterieel slijm bestaat. Bacteriën bestaan namelijk al miljarden jaren, dieren pas 0,5 miljard jaar, intelligent leven pas enkele duizenden jaren en leven dat in staat is via radiocommunicatie te communiceren nog korter. Hoe complexer de levensvorm, hoe minder waarschijnlijk dat we die net tegen het lijf lopen.”

Ontdekking
Exomanen zijn dus veelbelovende werelden voor leven. Maar of we al in de nabije toekomst op de eerste ontdekking van een exomaan kunnen rekenen… “Hoewel huidige telescopen nog geen exomanen kunnen observeren, zal de aankomende ruimtetelescoop PLATO in principe een maan van het formaat van Ganymedes moeten kunnen vinden,” meent Tjoa. “Zulke werelden bevinden zich echter wel aan het uiterste uiteinde van de gevoeligheid van PLATO. Manen zijn klein ten opzichte van hun planetaire hoeders en reflecteren dus veel minder licht, waardoor het lastig wordt om ze rechtstreeks in beeld te brengen. Daarnaast kun je exomanen niet op dezelfde manier detecteren als exoplaneten omdat de exomaan bij iedere passage anders ten opzichte van de planeet staat, en dus zijn omloopbaan een andere vorm krijgt. Je zou ze kunnen detecteren door heel nauwkeurig te kijken naar hoe de timing van een planeet die voor zijn ster langs beweegt verandert door de zwaartekracht van een nabije maan.”

Maar zo ver zijn we nu nog niet. Eerst maar hopen dat we überhaupt een planetenjager kunnen ontwikkelen die de jacht op exomanen kan openen. En dat belooft nog een behoorlijke kluif te gaan worden. Mochten astronomen echter met toekomstige planetenjagers op een exomaan stuiten, dan hebben de onderzoekers in ieder geval al een formule klaarliggen om te achterhalen of leven tot de mogelijkheden behoort. “Al hebben we de juiste schroevendraaier nog niet, het kan nooit kwaad de schroefjes vast op voorraad te hebben,” besluit Tjoa.