De supertelescopen komen eraan, enorme observatoria op de grond en in de ruimte waarmee we de atmosfeer van verre werelden direct kunnen observeren. We weten dat er leven op aarde is, en onze atmosfeer vertelt het verhaal, dus kunnen we hetzelfde doen met planeten buiten ons zonnestelsel? Het blijkt dat het bedenken van een enkele biosignatuur, een chemische stof in de atmosfeer die je vertelt dat ja, absoluut, er is leven op die wereld, heel moeilijk is.
Ik moet toegeven dat ik hier in het verleden behoorlijk slecht voor ben geweest. In oude afleveringen van Astronomy Cast en de Weekly Space Hangout, zelfs hier in de Guide to Space, heb ik gezegd dat als we de atmosfeer van een verre wereld konden proeven, we met overtuiging konden zeggen of er leven was.
Detecteer gewoon ozon in de atmosfeer, of methaan, of zelfs vervuiling en je zou kunnen zeggen: "daar is leven." Welnu, toekomstige Fraser is hier om Fraser uit het verleden te corrigeren. Terwijl ik zijn naïeve enthousiasme voor de zoektocht naar buitenaardse wezens bewonder, blijkt het, zoals altijd, moeilijker te worden dan we eerder dachten.
Astrobiologen worstelen eigenlijk om een enkele biosignatuur van een rokend pistool te vinden die kan worden gebruikt om te zeggen dat er leven is. En dat komt omdat natuurlijke processen slimme manieren lijken te hebben om ons voor de gek te houden.
Wat zijn enkele mogelijke biosignaturen, waarom zijn ze problematisch en wat is er nodig om die bevestiging te krijgen?
Laten we beginnen met een wereld dichtbij huis: Mars.
Al bijna twee decennia hebben astronomen grote wolken methaan gedetecteerd in de atmosfeer van Mars. Hier op aarde komt methaan van levende wezens, zoals bacteriën en schetenkoeien. Bovendien wordt methaan gemakkelijk afgebroken door zonlicht, wat betekent dat dit niet het oude methaan is dat overblijft van miljarden jaren geleden. Een proces op Mars vult het voortdurend aan.
Maar wat?
Welnu, naast leven kan methaan op natuurlijke wijze ontstaan door vulkanisme, wanneer rotsen in wisselwerking staan met verwarmd water.
NASA probeerde deze vraag met de Spirit en Opportunity-rovers te doorgronden en er werd verwacht dat Curiosity de instrumenten aan boord zou hebben om de bron van het methaan te vinden.
In enkele maanden tijd ontdekte Curiosity inderdaad een boost van methaan aan de oppervlakte, maar zelfs dat heeft tot een controverse geleid. Het blijkt dat de rover zelf methaan vervoerde en mogelijk het gebied om zich heen had besmet. Misschien kwam het gedetecteerde methaan uit zichzelf. Het is ook mogelijk dat een rotsachtige meteoriet in de buurt is gevallen en wat gas heeft afgegeven dat de resultaten heeft vervuild.
De ExoMars-missie van de European Space Agency arriveerde in oktober 2016 op Mars. Hoewel de Schiaparelli Lander werd vernietigd, overleefde de Trace Gas Orbiter de reis en begon de atmosfeer van Mars tot in detail in kaart te brengen, op zoek naar plaatsen die methaan zouden kunnen afblazen, en zo tot nu toe hebben we geen sluitende resultaten.
Met andere woorden, we hebben een vloot van orbiters en landers op Mars, uitgerust met instrumenten die zijn ontworpen om de zwakste geur van methaan op Mars op te snuiven.
Er zijn enkele echt intrigerende hints over hoe de methaangehaltes op Mars lijken te stijgen en dalen met de seizoenen, wat wijst op leven, maar astrobiologen zijn het er nog steeds niet mee eens.
Buitengewone claims vereisen buitengewoon bewijs en zo.
Sommige telescopen kunnen al de atmosfeer van planeten meten die in een baan om andere sterren draaien. De afgelopen tien jaar heeft de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA de atmosfeer van verschillende werelden in kaart gebracht. Hier is bijvoorbeeld een kaart van de hete jupiter HD 189733b
. De plek is slecht, maar wauw, om een atmosfeer te meten, van een andere planeet, dat is behoorlijk spectaculair.
Ze voeren deze prestatie uit door de chemicaliën van de ster te meten terwijl de planeet ervoor passeert, en vervolgens te meten wanneer er geen planeet is. Dat vertelt je welke chemicaliën de planeet naar het feest brengt.
Ze waren ook in staat om de atmosfeer van HAT-P-26b te meten, een relatief kleine wereld van Neptunusgrootte die in een baan om een nabije ster draait, en waren verrast toen ze waterdamp vonden in de atmosfeer van de planeet.
Betekent dat dat er leven is? Waar we water op aarde vinden, vinden we leven. Nee, je kunt helemaal water krijgen zonder leven te hebben.
Bij de lancering in 2019 zal NASA's James Webb Space Telescope deze atmosferische waarneming naar een hoger niveau tillen, waardoor astronomen de atmosfeer van nog veel meer werelden met een veel hogere resolutie kunnen bestuderen.
Een van de eerste doelen voor Webb zal het TRAPPIST-1-systeem zijn met een half dozijn planeten die in een baan rond de bewoonbare zone van een rode dwergster draaien. Webb moet levenslang ozon, methaan en andere potentiële biosignaturen kunnen detecteren.
Dus wat is er nodig om een verre wereld te kunnen zien en zeker te weten dat daar leven is.
Astrobioloog John Lee Grenfell van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum heeft onlangs een rapport opgesteld waarin alle exoplanetaire biosignaturen worden besproken die er zouden kunnen zijn, en onderzocht ze hoe waarschijnlijk het was dat ze een indicatie zouden zijn van het leven op een andere wereld.
Het eerste doelwit is moleculaire zuurstof of O2. Je ademt het nu. Nou ja, in ieder geval 21% van elke ademhaling. Zuurstof blijft duizenden jaren in de atmosfeer van een andere wereld zonder bron.
Het wordt hier op aarde geproduceerd door fotosynthese, maar als een wereld wordt gehavend door zijn ster en de atmosfeer verliest, wordt de waterstof de ruimte in geblazen en kan moleculaire zuurstof blijven bestaan. Met andere woorden, u kunt hoe dan ook niet zeker zijn.
Hoe zit het met ozon, ook bekend als O3? O2 wordt via een chemisch proces in de atmosfeer omgezet in O3. Het klinkt als een goede kandidaat, maar het probleem is dat er natuurlijke processen zijn die ook ozon kunnen produceren. Er zit een ozonlaag op Venus, een op Mars, en ze zijn zelfs gedetecteerd rond ijzige manen in het zonnestelsel.
Er is lachgas, ook wel lachgas genoemd. Het wordt geproduceerd door bacteriën in de bodem en draagt bij aan de stikstofcyclus van de aarde. En er is goed nieuws, de aarde lijkt de enige wereld in het zonnestelsel te zijn die lachgas in zijn atmosfeer heeft.
Maar wetenschappers hebben ook modellen ontwikkeld voor hoe deze chemische stof in de vroege geschiedenis van de aarde had kunnen worden gegenereerd toen de zwavelrijke oceaan in wisselwerking stond met stikstof op de planeet. In feite hadden zowel Venus als Mars een vergelijkbare cyclus kunnen doorlopen.
Met andere woorden, misschien zie je het leven of zie je misschien een jonge planeet.
Dan is er methaan, de chemische stof waar we zoveel tijd over spraken. En zoals ik al zei, er wordt methaan geproduceerd door het leven hier op aarde, maar het is ook op Mars en er zijn vloeibare oceanen van methaan op Titan.
Astrobiologen hebben andere koolwaterstoffen voorgesteld, zoals ethaan, isopreen, maar deze hebben ook hun eigen problemen.
Hoe zit het met de verontreinigende stoffen die worden uitgestoten door geavanceerde beschavingen? Astrobiologen noemen deze "technosignaturen" en ze kunnen zaken als chloorfluorkoolwaterstoffen of nucleaire neerslag omvatten. Maar nogmaals, deze chemicaliën zouden lichtjaren ver weg moeilijk te detecteren zijn.
Astronomen hebben gesuggereerd dat we naar dode aarde moeten zoeken, alleen maar om een basislijn vast te stellen. Dit zouden werelden in de bewoonbare zone zijn, maar het leven kwam duidelijk niet op gang. Gewoon rock, water en een niet-biologisch gecreëerde sfeer.
Het probleem is dat we waarschijnlijk niet eens een manier kunnen vinden om te bevestigen dat een wereld ook dood is. De soorten chemicaliën die je in de atmosfeer zou verwachten, zoals kooldioxide, kunnen door oceanen worden opgenomen, dus je kunt niet eens een negatieve bevestiging geven.
Bij één methode is het zelfs helemaal niet nodig om atmosferen te scannen. De vegetatie hier op aarde reflecteert een zeer specifieke golflengte van licht in het gebied van 700-750 nanometer. Astrobiologen noemen dit de 'rode rand', omdat je een 5x hogere reflectiviteit zult zien in vergelijking met andere oppervlakken.
Hoewel we vandaag de dag geen telescopen hebben om dit te doen, zijn er enkele heel slimme ideeën, zoals kijken hoe het licht van een planeet reflecteert op een nabijgelegen maan, en dat analyseren. Op zoek naar exoplaneet aardeschijn.
In feite, in de vroege geschiedenis van de aarde, zou het er paarser uitzien vanwege Archaean-bacteriën.
Er komt een hele vloot van ruimtevaartuigen en grondobservatoria online die ons zullen helpen deze vraag verder uit te werken.
ESA's Gaia-missie gaat 1% van de sterren in de Melkweg in kaart brengen en karakteriseren, ons vertellen wat voor soort sterren er zijn en duizenden planeten detecteren voor verdere observatie.
De Transiting Exoplanet Space Survey, of TESS, wordt gelanceerd in 2018 en zal alle transiterende exoplaneten ter grootte van de aarde en in onze buurt vinden.
De PLATO 2-missie vindt rotsachtige werelden in de bewoonbare zone en James Webb zal hun atmosfeer kunnen bestuderen. We spraken ook over de enorme LUVOIR-telescoop die in de jaren 2030 online zou kunnen komen en brengen deze waarnemingen naar een hoger niveau.
En er zijn nog veel meer ruimte- en grondobservatoria in de maak.
Terwijl deze volgende telescoopronde online komt, diegene die in staat zijn om de atmosfeer van een wereldgrote aarde direct om een andere ster te draaien, zullen astrobiologen moeite hebben om een biosignatuur te vinden die een duidelijk teken is dat er leven is daar.
In plaats van zekerheid, lijkt het erop dat we dezelfde strijd zullen hebben om te begrijpen wat we zien. Astronomen zullen het met elkaar oneens zijn en nieuwe technieken en nieuwe instrumenten ontwikkelen om onopgeloste vragen te beantwoorden.
Het zal even duren en de onzekerheid zal moeilijk te hanteren zijn. Maar vergeet niet dat dit waarschijnlijk de belangrijkste wetenschappelijke vraag is die iedereen kan stellen: zijn we alleen in het universum?
Het antwoord is het wachten waard.
Bron: John Lee Grenfell: A Review of Exoplanetary Biosignatures.
Hoedentip aan Dr. Kimberly Cartier voor het verwijzen naar dit artikel. Volg haar werk op EOS Magazine.
