Als het gaat om de zoektocht naar buitenaards leven, hebben wetenschappers de neiging een beetje geocentrisch te zijn - d.w.z. ze zoeken naar planeten die op de onze lijken. Dit is begrijpelijk, aangezien de aarde de enige planeet is waarvan we weten dat deze het leven ondersteunt. Dientengevolge, zijn degenen die op zoek zijn naar buitenaards leven op zoek naar planeten die terrestrisch (rotsachtig) van aard zijn, in een baan rond hun sterren bewoonbare zones en voldoende water op hun oppervlak hebben.
Bij het ontdekken van enkele duizenden exoplaneten hebben wetenschappers ontdekt dat velen in feite 'waterwerelden' kunnen zijn (planeten waar tot 50% van hun massa water is). Dit roept natuurlijk vragen op, zoals hoeveel water te veel is, en kan te veel land ook een probleem zijn? Om deze aan te pakken, voerden een paar onderzoekers van het Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) een onderzoek uit om te bepalen hoe de verhouding tussen water en landmassa's kan bijdragen aan het leven.
De studie - "Afhankelijkheid van biologische activiteit op de oppervlaktewaterfractie van planeten", die wordt herzien voor publicatie met The Astronomical Journal- is geschreven door Manasvi Lingam, een postdoctorale fellow bij het Institute for Theory and Computation (ITC) van het CfA, en Abraham Loeb - de directeur van het ITC en de Frank B. Baird Jr. Chair of Science aan de Harvard University.
Om te beginnen gaan Lingam en Loeb in op de kwestie van het antropische principe, dat een grote rol heeft gespeeld in het astronomie- en exoplaneetonderzoek. Kortom, dit principe stelt dat als de omstandigheden op aarde geschikt zijn om aan het leven tegemoet te komen, het dan moet bestaan om leven te scheppen. Dit principe strekt zich uit tot het hele universum en stelt dat de wetten van de fysica bestaan zoals ze bestaan om het leven te doen ontstaan.
Een andere manier om ernaar te kijken, is door na te gaan hoe onze beoordelingen van de aarde vallen in wat bekend staat als "observatie-selectie-effecten" - waarbij de resultaten rechtstreeks worden beïnvloed door het type methode dat erbij betrokken is. In dit geval komen de effecten voort uit het feit dat onze zoektocht naar leven buiten de aarde en ons zonnestelsel het bestaan vereist van een goed gepositioneerde waarnemer.
In feite hebben we de neiging om aan te nemen dat de omstandigheden voor het leven overvloedig zullen zijn in het universum omdat we ermee bekend zijn. Deze voorwaarden bepalen de aanwezigheid van zowel vloeibaar water als landmassa's, die essentieel waren voor het ontstaan van leven zoals wij dat kennen. Zoals Lingam via e-mail aan Space Magazine uitlegde, is dit een van de manieren waarop het antropische principe naar voren komt bij het zoeken naar potentieel bewoonbare planeten:
"Het feit dat de land- en waterfracties van de aarde vergelijkbaar zijn, duidt op antropische selectie-effecten, dat wil zeggen dat de opkomst van mensen (of analoog bewuste waarnemers) mogelijk is vergemakkelijkt door een geschikte mix van land en water."
Bij het adresseren van de vele superaarde die in andere sterrenstelsels zijn ontdekt, hebben statistische analyses van hun gemiddelde dichtheid echter aangetoond dat de meerderheid hoge fracties vluchtige stoffen heeft. Een goed voorbeeld hiervan is het TRAPPIST-1-systeem, waar theoretische modellering van de zeven planeten ter grootte van de aarde heeft aangetoond dat ze tot 40-50 gew.% Water zouden kunnen bevatten.
Deze 'waterwerelden' zouden daarom zeer diepe oceanen hebben en geen landmassa's om over te spreken, wat drastische gevolgen zou kunnen hebben voor de opkomst van leven. Tegelijkertijd worden planeten die weinig tot geen water op hun oppervlak hebben, niet beschouwd als goede kandidaten voor het leven, aangezien water essentieel is voor het leven zoals we het kennen.
"Te veel landmassa is een probleem, omdat het de hoeveelheid oppervlaktewater beperkt, waardoor de meeste continenten erg droog worden", zegt Lingam. “Droge ecosystemen worden doorgaans gekenmerkt door een lage productie van biomassa op aarde. In plaats daarvan, als men het tegenovergestelde scenario overweegt (d.w.z. meestal oceanen), stuit men op een potentieel probleem met de beschikbaarheid van fosfor, wat een van de essentiële elementen is voor leven zoals we het kennen. Dit kan dus leiden tot een knelpunt in de hoeveelheid biomassa. ”
Om deze mogelijkheden aan te pakken, analyseerden Lingam en Leob hoe planeten met te veel water of landmassa de ontwikkeling van exoplaneet-biosferen zouden kunnen beïnvloeden. Zoals Lingam uitlegde:
“[W] e hebben een eenvoudig model ontwikkeld om in te schatten welk deel van het land droog (d.w.z. woestijnen) en relatief onbewoonbaar zal zijn. Voor het scenario met door water gedomineerde biosferen wordt de beschikbaarheid van fosfor de beperkende factor. Hier hebben we een model gebruikt dat in een van onze eerdere artikelen is ontwikkeld en dat rekening houdt met de bronnen en putten van fosfor. We combineerden deze twee gevallen, gebruikten gegevens van de aarde als maatstaf en bepaalden zo hoe de eigenschappen van een generieke biosfeer afhangen van de hoeveelheid land en water. ”
Wat ze ontdekten was dat een zorgvuldig evenwicht tussen landmassa's en oceanen (net als wat we hier op aarde hebben) cruciaal is voor het ontstaan van complexe biosferen. Gecombineerd met numerieke simulaties van andere onderzoekers, geeft de studie van Lingam en Loeb aan dat planeten zoals de aarde - met zijn verhouding van oceanen tot landmassa (ongeveer 30:70) - waarschijnlijk vrij zeldzaam zijn. Zoals Lingam samenvatte:
“De basisconclusie is dus dat de balans van land- en waterfracties op de een of andere manier niet teveel kan worden gekanteld. Ons werk laat ook zien dat belangrijke evolutionaire gebeurtenissen, zoals de stijging van de zuurstofniveaus en de opkomst van technologische soorten, kunnen worden beïnvloed door de land-waterfractie en dat de optimale waarde dicht bij die van de aarde zou kunnen liggen. '
Al geruime tijd zijn astronomen op zoek naar exoplaneten waar aardachtige omstandigheden heersen. Dit staat bekend als de 'laaghangende vrucht'-benadering, waarbij we proberen het leven te vinden door te zoeken naar biosignaturen die we associëren met het leven zoals we het kennen. Maar volgens deze laatste studie zou het vinden van dergelijke plaatsen kunnen lijken op het zoeken naar ruwe diamanten.
De conclusies van de studie kunnen ook belangrijke implicaties hebben als het gaat om het zoeken naar buitenaardse intelligentie, wat aangeeft dat dit ook vrij ongebruikelijk is. Gelukkig geven Lingam en Loeb toe dat er niet genoeg bekend is over exoplaneten en hun water-landmassa-verhoudingen om iets afdoende te zeggen.
"Het is echter niet mogelijk om op een definitieve manier te voorspellen hoe dit SETI beïnvloedt", zei Lingam. "Dit komt omdat we nog geen goede observatiebeperkingen hebben op land-waterfracties van exoplaneten, en er zijn nog steeds veel onbekenden in onze huidige kennis van hoe technologische soorten (die kunnen deelnemen aan SETI) evolueerden."
Uiteindelijk moeten we geduld hebben en wachten tot astronomen meer leren over buitenzonne-planeten en hun respectievelijke omgevingen. Dit wordt de komende jaren mogelijk dankzij telescopen van de volgende generatie. Deze omvatten telescopen op de grond zoals de ESO's Extreem grote telescoop (ELT) en ruimtetelescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST) - die gepland zijn om te beginnen in respectievelijk 2024 en 2021.
Met verbeteringen in technologie en duizenden exoplaneten die nu beschikbaar zijn voor studie, zijn astronomen begonnen met het verschuiven van het ontdekkingsproces naar karakterisering. Wat we leren over exoplaneetatmosferen zal de komende jaren een grote bijdrage leveren aan het bewijzen of weerleggen van onze theoretische modellen, verwachtingen en verwachtingen. Na verloop van tijd kunnen we misschien eindelijk bepalen hoe overvloedig leven in ons universum is en welke vormen het kan aannemen.
