Het handboek komt van pas als de nieuwe generatie telescopen het levenslicht ziet.

Is er leven op andere planeten? Het is een vraag die wetenschappers heel graag willen beantwoorden. Daarom wordt er ook reikhalzend uitgezien naar de nieuwe generatie telescopen, waartoe ook de James Webb Telescope en de Extreme Large Telescope gerekend mogen worden. Deze telescopen kunnen namelijk de atmosfeer van andere planeten uitpluizen, op zoek naar gassen die geproduceerd (kunnen) zijn door organismen. Zo kan de atmosfeer dus verraden of er leven is op het oppervlak van een planeet.

Sterrenlicht
Bij het uitpluizen van de atmosfeer van een planeet wordt handig gebruik gemaakt van het licht van diens moederster. Dat licht sijpelt door de atmosfeer van de planeet heen en onder invloed van de samenstelling van die atmosfeer verandert het spectrum van dat sterlicht. Of nauwkeuriger gezegd: het verandert de intensiteit van bepaalde kleuren van dat sterlicht (de kleurenwaaier van naast elkaar gelegen golflengtes noemen we een spectrum).

In afwachting van onder meer de James Webb Telescope hebben onderzoekers nu een soort handboek geschreven dat richting geeft aan onze zoektocht naar sporen van aliens in het licht van andere sterren. “Om te kunnen onderzoeken of er op andere planeten sporen van leven te vinden zijn, is het heel belangrijk om te begrijpen hoe die sporen van leven tot uiting komen in het licht,” legt onderzoeker Zifan Lin uit. “Het leven op exoplaneten kan een kenmerkende combinatie van moleculen in de atmosfeer voortbrengen en die laten weer hun sporen na in de lichtspectra.”


Water, methaan en zuurstof
Het handboek dat Lin en collega’s nu hebben geschreven, onthult nauwgezet welke impact de aanwezigheid van onder meer zuurstof, methaan en water in de atmosfeer van een planeet hebben op het spectrum van de moederster. Dat onder meer deze drie elementen in het onderzoek centraal staan, is goed te verklaren, zo legt Lin aan Scientias.nl uit. “Ten eerste kunnen water, methaan en zuurstof meer vertellen over een exoplaneet. Als de atmosfeer veel water bevat, betekent het dat de planeet geen uit de hand gelopen broeikaseffect heeft doorgemaakt en waarschijnlijk ook op het oppervlak nog water (een belangrijk ingrediënt voor leven zoals wij dat kennen, red.) herbergt. Daarnaast zijn water en methaan ook broeikasgassen en als we weten hoe overvloedig ze op een planeet voorkomen, kunnen we daar het klimaat van de planeet uit afleiden. Daarnaast is het zo dat deze moleculen – met name water en methaan – een krachtig en kenmerkend stempel drukken op het lichtspectrum, dat van grote afstand nog gedetecteerd kan worden.”

Rode dwergsterren
De onderzoekers focussen zich in hun studie ook op een specifiek type moederster, te weten: de rode dwergster. “Dit zijn de meest voorkomende sterren in onze omgeving; 3 van de 4 sterren nabij het zonnestelsel zijn zulke koele, rode sterren. Omdat er zoveel van zijn, is er een grotere kans dat we rond dit type ster leefbare planeten gaan vinden.”

Model
Om precies vast te kunnen stellen wat een atmosfeer gevuld met bijvoorbeeld water, methaan en zuurstof doet met het licht van een rode dwergster dat daar doorheen sijpelt, maakten de onderzoekers gebruik van een model. “We gebruikten het model – Exo-Prime genoemd – om te simuleren hoe individuele lichtstralen door de atmosfeer van een planeet reizen,” legt Lin uit. Als planeet namen ze voor het gemak twee nabije planeten die vrij recent zijn ontdekt en rond rode dwergsterren cirkelen, namelijk Proxima b en Trappist-1e. “We verdeelden de atmosfeer van deze planeten in heel veel dunne lagen en stelden voor elke laag – op basis van klimaatsimulaties, uitgevoerd door collega’s – de temperatuur, druk en concentratie van moleculen vast en keken vervolgens hoeveel licht er geabsorbeerd werd terwijl het door de verschillende lagen reisde. We berekenden zo het percentage licht dat op verschillende golflengten werd geabsorbeerd en combineerden die golflengten (kleuren, red.) om een spectrum te vormen waar waarnemers uit af kunnen leiden welke chemische substanties er in de atmosfeer van een planeet voorhanden zijn.”


Het werk van Lin voorspelt dus precies welk lichtspectrum James Webb of de Extremely Large Telescope bij deze twee nabije planeten gaat aantreffen áls ze water, methaan en/of zuurstof herbergen. “Het handboek kan alleen gebruikt worden tijdens onderzoek naar deze twee specifieke planeten, omdat elke type ster unieke eigenschappen heeft die het klimaat van de planeten die eromheen cirkelen kunnen veranderen,” legt Lin uit. “Maar met behulp van ons model kunnen we wel vergelijkbare handboeken schrijven voor elk type ster en elk type planeet, zolang de basale parameters ervan ons maar bekend zijn.”

Combinatie van elementen
Over een paar jaar kunnen we gewapend met de studie van Lin en collega’s dus de jacht openen op aliens die nietsvermoedend een stempel drukken op het spectrum van hun moederster. Maar welk element in de atmosfeer van een planeet is nu daadwerkelijk keihard bewijs voor de aanwezigheid van leven? Dat is een vraag waar op het moment geen eenduidig antwoord op te geven is. Zo kunnen zuurstof en methaan bijvoorbeeld geproduceerd worden door bacteriën en dus een teken van leven zijn, maar ze kunnen net zo goed tot stand komen door abiotische processen. “Daarom pleiten wij ervoor om naar een combinatie van deze twee moleculen te kijken,” legt Lin uit. “Methaan is een gas dat snel wordt omgezet en zuurstof is een gas dat sterk oxideert, dus als beide moleculen in dezelfde atmosfeer in dezelfde grote hoeveelheid voorkomen, is de chemie in die atmosfeer uit balans en dat is een krachtige aanwijzing dat deze gassen worden aangevuld door levende organismen. Daarnaast kijken we in ons model ook naar distikstofoxide en chloormethaan: van beide moleculen wordt aangenomen dat ze door levende organismen in de atmosfeer van de aarde worden geproduceerd.”

Wordt de eerste alien dan uiteindelijk opgespoord aan de hand van de sporen die hij nalaat in het licht van de moederster? Lin twijfelt. “Mensen zijn ook bezig met het zoeken naar leven in ons zonnestelsel, bijvoorbeeld in de met ijs bedekte oceaan op Europa (een maan van Jupiter, red.). Het voordeel van het zoeken naar leven in ons zonnestelsel is dat we in de nabije toekomst monsters staaltjes kunnen verzamelen en terug kunnen brengen naar de aarde. Als er leven is (op andere hemellichamen in ons zonnestelsel, red.) dan kunnen die staaltjes dat onomstotelijk uitwijzen. Het bestuderen van de spectra van exoplaneten is lastiger, omdat we het allemaal op afstand moeten doen en we veel meer bewijs moeten verzamelen voor we met zekerheid kunnen zeggen dat er op een exoplaneet leven is. Maar het voordeel is weer dat we naar meer planeten kunnen kijken. Beide manieren kunnen resulteren in de ontdekking van buitenaards leven, maar welke dat als eerste doet, is denk ik afhankelijk van hoe het leven ontstaat.”