Jacht op een tweede aarde juni 2009 Eos

Lange tijd wist niemand hoe uniek ons zonnestelsel was. Inmiddels zijn er honderden planeten ontdekt bij andere sterren. Zit daar ook een planeet tussen die op de aarde lijkt? En hoe kunnen we die vinden?

Het was het gesprek van de dag op de grote Europese sterrenkundeconferentie die half april plaatsvond aan de Universiteit van Hertfordshire in Hatfield, Engeland: bij Gliese 581, een rode dwergster op 20,5 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Weegschaal, is een vierde planeet gevonden, die slechts 1,9 keer zo zwaar is als de aarde. Bovendien maakte planetenjager Michel Mayor van de Universiteit van Genève bekend dat de derde planeet van Gliese 581 zich in de zogeheten ‘bewoonbare zone’ van de ster bevindt: op die planeet zou vloeibaar water kunnen voorkomen. Het nieuws vormde de zoveelste stap in de richting van de Heilige Graal van de astronomie: de ontdekking van een tweelingzusje van de aarde.

Al duizenden jaren lang vragen filosofen en wetenschappers zich af hoe uniek onze levende planeet is. Is de aarde enig in zijn soort? Of wemelt het in de kosmos van vergelijkbare werelden, met zeeën en oceanen, vulkanen en woestijnen, onweersbuien en regenbogen? En komt er op die tweelingbroertjes en -zusjes van onze eigen planeet dan ook leven voor? Het is een welhaast religieuze vraag die alles te maken heeft met onze plaats in ruimte en tijd en met de kosmische visie op ons eigen bestaan. Maar tot voor kort kon over het antwoord slechts gespeculeerd worden. Planeten bij andere sterren – laat staan planeten zo klein als de aarde – lagen ver buiten het bereik van onze telescopen en waarnemingsinstrumenten.

Planeten zijn veel kleiner dan sterren. Bovendien geven ze zelf geen licht, maar weerkaatsen ze een heel klein deel van het licht dat door de ster wordt uitgestraald. Zelfs met de krachtigste telescopen ter wereld is een planeet bij een andere ster niet te zien – dat had Christiaan Huygens in de zeventiende eeuw al eens becijferd. Toch lieten sterrenkundigen zich door die wetenschap niet ontmoedigen. De Nederlands-Amerikaanse astronoom Peter van de Kamp speurde midden vorige eeuw bijvoorbeeld naar planeten bij de Ster van Barnard – een dwergster op kleine afstand van de aarde. Die zouden hun aanwezigheid moeten verraden door minieme schommelingen teweeg te brengen in de beweging van de ster aan de hemel, aldus Van de Kamp.

Van de Kamp meende uiteindelijk op die manier twee Jupiter-achtige planeten bij de Ster van Barnard ontdekt te hebben. Inmiddels is bekend dat die planeten niet bestaan; Van de Kamp was zijn tijd ver vooruit, en liep tegen de grenzen van de toenmalige technologie aan. De eerste bewijzen voor het bestaan van planeten bij andere sterren werden pas begin jaren negentig gevonden, door Aleksander Wolszczan en Dale Frail. Maar daarbij ging het niet om een gewone ster zoals de zon, maar om een zogeheten pulsar – het klein, supercompacte en snel rondtollende overblijfsel van een supernova-explosie. De pulsarplaneten van Wolszczan en Frail waren de eerste exoplaneten die ooit werden gevonden, maar van een zonnestelsel zoals het onze was in de verste verten geen sprake.

De grote doorbraak in de jacht op planeten bij andere sterren kwam op 6 oktober 1995, toen Michel Mayor en zijn collega Didier Queloz de ontdekking bekendmaakten van een planeet in een baan rond de ster 51 Pegasi. Snel daarna vonden ook de Californische planetenjagers Geoff Marcy en Paul Butler indirecte aanwijzingen voor de aanwezigheid van planeten, onder andere bij de sterren 47 Ursae Majoris, 70 Virginis, Rho Cancri en Tau Boötes. Voor het eerst stond vast dat ook bij andere zonachtige sterren planeten voorkomen. En hoewel het steevast om grote, zware planeten ging – nog zwaarder dan de reuzenplaneet Jupiter in ons eigen zonnestelsel – leek het inmiddels heel waarschijnlijk dat er elders in het heelal talloze kleine planeten zoals de aarde bestaan.

De ontdekkingen van de eerste exoplaneten werden gedaan met behulp van de radialesnelheidsmethode. Daarbij probeer je geen schommelingen van de ster aan de hemel te meten, zoals Van de Kamp had gedaan, maar snelheidsveranderingen van de ster langs de gezichtslijn, dus naar de aarde toe of van de aarde af. Ook die radiale snelheid zal onder invloed van de zwaartekracht van een rondcirkelende planeet kleine, periodieke variaties te zien geven, die met een gevoelige spectroscoop gedetecteerd kunnen worden. Vanzelfsprekend is die techniek vooral gevoelig voor zware planeten in kleine omloopbanen: die veroorzaken de grootste en snelste variaties in de radiale snelheid van hun moederster.

De planeten die door Mayor en Queloz en door Marcy en Butler werden gevonden, waren dan ook zonder uitzondering ‘hete Jupiters’: gasvormige reuzenplaneten – soms wel tien keer zo zwaar als Jupiter – die zó dicht rond hun moederster rondcirkelen dat ze een temperatuur van vele honderden graden moeten hebben. In de meeste gevallen is de afstand tot de ster niet meer dan een paar miljoen kilometer, en beschrijven de planeten één omloop in hooguit een paar dagen. Op zulke hete Jupiters kan geen leven voorkomen, maar wie weet zouden de betreffende planetenstelsel ook kleinere, aardeachtige planeten bevatten, op grotere afstand van de ster.

Inmiddels is duidelijk dat die kans vrij klein is. De hete Jupiters kunnen nooit zo dicht bij hun moederster zijn ontstaan. Ze moeten dus op grotere afstand van de ster zijn gevormd, en pas na hun geboorte langzaam maar zeker naar binnen zijn gespiraald. Eventuele aardse planeten zouden tijdens dat migratieproces weggeslingerd worden door de zwaartekrachtseffecten van de op drift geraakte reuzenplaneet. In zo’n instabiel planetenstelsel kunnen planeten uiteindelijk in de ster terecht komen, of juist de interstellaire ruimte in worden geslingerd. Met andere woorden: de ontdekking van de eerste exoplaneten was opzienbarend nieuws, maar de betreffende planetenstelsels lijken totaal niet op ons eigen zonnestelsel.

Sinds 1995 zijn er ongeveer 350 exoplaneten ontdekt. In sommige gevallen gaat het om complete planetenstelsels, met drie, vier of vijf planeten in een baan rond één en dezelfde ster. Veel planeten hebben heel kleine omloopbanen, maar er zijn inmiddels ook exoplaneten gevonden op honderden miljoenen kilometers afstand van hun moederster. Die banen zijn in de meeste gevallen trouwens niet zo ordelijk als de planeetbanen in ons eigen zonnestelsel: vaak hebben ze een enorm grote excentriciteit, waardoor de temperatuur op de planeet grote schommelingen vertoont. Variatie volop dus; op die manier beschouwd is elk planetenstelsel uniek.

Overigens zijn niet alle exoplaneten ontdekt met behulp van de radialesnelheidsmethode. Ook via de microlenstechniek zijn enkele exoplaneten gevonden, waaronder lichte exemplaren in wijde omloopbanen rond hun moederster. Bij die techniek wordt onderzocht hoe het licht van een verre achtergrondster – bijvoorbeeld in het Melkwegcentrum – tijdelijk wordt versterkt door de zwaartekrachtlenswerking van een voorgrondster die er (gezien vanaf de aarde) exact voor langs beweegt. Als die lensster vergezeld wordt door één of meer planeten, laten ook die hun ‘vingerafdruk’ achter in het waargenomen helderheidspatroon.

Een andere succesvolle zoekmethode maakt gebruik van het feit dat we de baan van een exoplaneet vanaf de aarde soms vrijwel exact van opzij zullen zien. In dat geval beweegt de planeet elke omloop voor zijn moederster langs, en hoewel hij zelf niet te zien is, onderschept hij wel een klein beetje sterlicht. Tijdens zo’n planeetovergang is de ster dus een paar uur lang iets zwakker dan normaal – een tijdelijke helderheidsafname die zich heel regelmatig herhaalt. Als de middellijn van de ster bekend is, kun je uit de helderheidsafname afleiden hoe groot de planeet is. Met de radialesnelheidstechniek is vervolgens de massa te achterhalen, zodat ook de gemiddelde dichtheid van de planeet berekend kan worden.

De kans om een planeetovergang waar te nemen is groter naarmate de planeet in een kleinere omloopbaan beweegt. Tot nu toe zijn met de overgangsmethode dan ook vooral hete Jupiters ontdekt en waargenomen. Dat heeft echter wel tot spectaculaire resultaten geleid. Met NASA’s Spitzer Space Telescope, die waarnemingen verricht aan infrarode straling uit het heelal, is het gelukt om de aanwezigheid van bepaalde gassen, zoals waterdamp en kooldioxide, aan te tonen in de dampkring van sommige exoplaneten. Ook zijn sterrenkundigen erin geslaagd om van enkele exoplaneten de temperatuur op te meten. Op die manier kan aardig wat informatie worden achterhaald over de opbouw van de dampkring.

Om met de overgangsmethode een planeet zoals de aarde op te sporen, moet je een telescoop in de ruimte brengen. De periodieke helderheidsafname van de ster is dan namelijk zeer klein – ongeveer een honderste procent als de ster zo groot is als de zon. Eind 2006 werd de Franse kunstmaan CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits) gelanceerd, die als eerste kunstmaan in de geschiedenis gericht jacht maakt op planeten bij andere sterren. De analyse van de enorme hoeveelheden meetgegevens is nog in volle gang, maar begin 2009 werd al de ontdekking bekendgemaakt van een planeet die slechts 70 procent groter is dan de aarde. Leven kan er echter niet voorkomen: door de kleine afstand tot zijn moederster bedraagt de temperatuur op deze planeet meer dan 1000 °C.

De Amerikaanse ruimtetelescoop Kepler, gelanceerd in de nacht van 6 op 7 maart 2009, is groter en gevoeliger dan CoRoT. De telescoop heeft een spiegelmiddellijn van 95 centimeter. Maanden achtereen wordt de Kepler-telescoop gericht op een stukje sterrenhemel op de grens van de sterrenbeelden Zwaan en Lier. Van een slordige honderdduizend sterren zal vrijwel continu en met grote precisie de helderheid worden opgemeten. Vervolgens gaan speciale zoekprogramma’s in al die meetgegevens op zoek naar kleine, periodieke helderheidsdipjes.

Naar schatting zal Kepler in de loop van de komende jaren vele honderden hete Jupiters ontdekken. Die zullen bovendien als eerste gevonden worden, omdat ze maar korte omlooptijden hebben, zodat de overgangen elkaar snel opvolgen. Daarnaast worden er mogelijk enkele tientallen aarde-achtige planeten op grotere afstanden van hun moederster ontdekt. Daarvoor is natuurlijk meer tijd nodig, vanwege de langere omloopperioden. De Heilige Graal van de Kepler-missie is de ontdekking van een aarde-achtige planeet in de bewoonbare zone van zijn moederster – op een afstand waar de temperatuur niet te hoog en niet te laag is, zodat er vloeibaar water kan voorkomen.

De ligging van die bewoonbare zone is natuurlijk afhankelijk van de temperatuur van de ster. De aarde beweegt vrijwel middenin de bewoonbare zone van de zon (op 150 miljoen kilometer afstand), maar bij een koelere, zwakkere dwergster ligt de bewoonbare zone natuurlijk veel dichterbij, en is hij bovendien smaller. De buitenste planeet in het stelsel rond de rode dwergster Gliese 581 bevindt zich bijvoorbeeld op een gemiddelde afstand van slechts 33 miljoen kilometer van zijn moederster, maar blijkt toch in de bewoonbare zone van die ster te liggen, zoals Mayor en zijn collega’s half april bekendmaakten. Die planeet is echter zeven keer zo zwaar als de aarde, en het lijkt onwaarschijnlijk dat hij uit gesteenten en metalen bestaat.

Toch is het niet uitgesloten dat er op die exoplaneet (Gliese 581d geheten) leven voorkomt. Mogelijkerwijs gaat het om een zogeheten ‘oceaanplaneet’ – een ijswereld die onder invloed van de warmte van zijn moederster gedeeltelijk gesmolten is. Hoewel rode dwergsterren vaak krachtige uitbarstingen van gevaarlijke röntgenstraling produceren, is het niet uitgesloten dat er in zo’n oceaan micro-organismen voorkomen. Overigens is het ook mogelijk dat Gliese 581d een maan heeft die wél grotendeels uit zwaardere elementen bestaat. Zo’n planeetmaan, die zich dan dus ook in de bewoonbare zone van de ster bevindt, zou natuurlijk veel meer op de aarde kunnen lijken dan de planeet zelf.

Met het onderzoek van de Kepler-ruimtetelescoop is de jacht op exoplaneten in een stroomversnelling geraakt. Over een paar jaar zal iedereen de tel kwijtraken, want als de Europese ruimtetelescoop Gaia eind 2011 gelanceerd wordt, zullen er per dag ongeveer tien exoplaneten worden gevonden. Tijdens de operationele levensduur van Gaia (vijf à zes jaar) worden naar verwachting twintigduizend nieuwe planeten ontdekt. Gaia meet de posities en bewegingen van één miljard sterren in het Melkwegstelsel extreem nauwkeurig op, en zal daarbij minieme schommelingen op het spoor komen die de aanwezigheid van planeten verraden volgens de Van de Kamp-methode.

Met de Hubble Space Telescope en met de Keck-telescoop op Hawaii is het eerder dit jaar al gelukt om planeten bij andere sterren daadwerkelijk ‘op de foto te zetten’. Daarbij gaat het om sterren die niet al te ver weg staan, en om grote planeten die zich op relatief grote afstanden van hun moederster bevinden, zodat ze op de foto niet worden overstraald. Het zal niet lang duren of ook kleinere planeten – misschien wel zo klein als de aarde – kunnen op die manier direct waargenomen worden, bijvoorbeeld met de nieuwe monstertelescopen waarvan de bouw momenteel wordt voorbereid, zoals de 42-meter European Extremely Large Telescope.

Ook zulke waarnemingen kunnen echter beter vanuit de ruimte worden verricht, waar geen hinder wordt ondervonden van de storende invloed van de aardse dampkring. Met toekomstige ruimtetelescopen, zoals de Amerikaanse Terrestrial Planet Finder of de Europese Darwin-interferometer, moet het zelfs mogelijk zijn om een aarde-achtige planeet bij een ster zoals de zon in beeld te brengen. Door onderzoek te doen aan het sterlicht dat door zo’n planeet wordt gereflecteerd, kun je dan zelfs de samenstelling van de dampkring achterhalen, en als die zuurstof, ozon en methaan blijkt te bevatten, is het vrijwel zeker dat er biologische activiteit aan het oppervlak plaatsvindt.

Het onderzoek aan exoplaneten is een van de meest dynamische deelgebieden van de moderne sterrenkunde. Nieuwe ontwikkelingen en ontdekking volgen elkaar in steeds hoger tempo op, en in veel gevallen zelfs sneller dan de meest optimistische onderzoekers een paar jaar geleden hadden verwacht. Het lijdt geen twijfel: de ontdekking van een tweelingzusje van de aarde, in de bewoonbare zone van een ster zoals de zon, staat voor de deur. Nog even geduld.

Kader 1 - Hoe heet die planeet?
Wanneer vroeger bij een ster een zwakke begeleider werd ontdekt, zodat er in feite sprake is van een dubbelster, kreeg de hoofdster de aanduiding A, en de begeleider de aanduiding B. Zo is Sirius B de wittedwergbegeleider van de heldere winterster Sirius (die dan dus wordt aangeduid als Sirius A). Ook wanneer de begeleider een bruine dwerg is (een soort tussenvorm tussen een reuzenplaneet en een dwergster) wordt die procedure gevolgd.

Omdat van begeleiders met een geringe massa aanvankelijk niet meteen duidelijk was of het om bruine dwergen of ‘echte’ planeten ging, kregen de eerste exoplaneten die zijn gevonden ook de aanduiding b, hoewel om onduidelijke redenen is overgestapt op het gebruik van kleine letters. De eerste planeet die ontdekt werd bij een zonachtige ster heet dan ook 51 Pegasi b. Als er meer planeten rond de ster blijken te draaien, krijgen die de aanduidingen c, d, enzovoort. Bij de dwergster Gliese 581 zijn bijvoorbeeld vier planeten ontdekt: Gliese 581b, c, d en e.

Vooralsnog krijgen exoplaneten geen eigennamen. Miochel Mayor en Didier Queloz hebben voor 51 Pegasi b de naam Bellerophon voorgesteld (naar een held uit de Griekse mythologie), maar die naam wordt niet officieel erkend door de Internationale Astronomische Unie.

Kader 2 - Jacht op buitenaards leven
Als er bij een andere ster een aarde-achtige planeet wordt ontdekt in de bewoonbare zone, wil dat nog niet per se zeggen dat er op die planeet ook daadwerkelijk iets leeft. Toch nemen sterrenkundigen en biologen aan dat leven op tal van plaatsen in het heelal voorkomt, al was het maar omdat de organische bouwstenen van het leven overal aanwezig zijn in het heelal. Het is echter vrijwel onmogelijk om het bestaan van eenvoudige levensvormen aan te tonen op een planeet die een baan beschrijft rond een ster op tientallen of honderden lichtjaren afstand. Behalve natuurlijk als er een vergelijkbare evolutie heeft plaatsgevonden als op aarde, en er op zo’n planeet een hoog ontwikkelde, technologische beschaving woont. Intensieve speurtochten naar mogelijke kunstmatige radiosignalen van buitenaardse beschavingen hebben tot op heden echter nog niets opgeleverd. Vooralsnog is onze eigen aarde de enige planeet in het heelal waarvan we zeker weten dat er iets leeft.

© Govert Schilling