Bij het zoeken naar mogelijk bewoonbare exoplaneten worden wetenschappers gedwongen de laaghangende fruitbenadering te volgen. Aangezien de aarde de enige planeet is waarvan we weten dat deze het leven kan ondersteunen, komt deze zoektocht in feite neer op het zoeken naar planeten die "aarde-achtig" zijn. Maar wat als de aarde niet de meterstok is voor bewoonbaarheid die we allemaal denken te zijn?
Dat was het onderwerp van een keynote-lezing die onlangs werd gehouden op het Goldschmidt Geochemistry Congress, dat plaatsvond van 18 tot 23 augustus in Barcelona, Spanje. Hier legde een team van door NASA ondersteunde onderzoekers uit hoe een onderzoek naar wat er gaat in het definiëren van bewoonbare zones (HZ's) aantoont dat sommige exoplaneten betere levensomstandigheden kunnen hebben dan de aarde zelf.
De presentatie was gebaseerd op een studie getiteld "A Limited Habitable Zone for Complex Life", die verscheen in het nummer van juni 2019 The Astrophysical Journal. De studie werd uitgevoerd door onderzoekers van Caltech, het NASA Goddard Institute for Space Studies, het NASA Astrobiology Institute, het NASA Postdoctoral Program, het NExSS Virtual Planetary Laboratory, het Blue Marble Space Institute of Science en meerdere universiteiten.
Zoals ze in hun onderzoek aangeven, worden HZ's gewoonlijk gedefinieerd als het bereik van afstanden tot een gastheerster waarbinnen vloeibaar water op het oppervlak kan bestaan. Dit houdt echter geen rekening met de atmosferische dynamiek die nodig is om de klimaatstabiliteit te garanderen - waaronder een carbonaat-silicaatterugkoppeling om de oppervlaktetemperaturen binnen een bepaald bereik te houden.
Omdat er alleen indirecte methoden beschikbaar zijn om te meten hoe de omstandigheden op verre exoplaneten zijn, vertrouwen astronomen op geavanceerde modellen voor het planetaire klimaat en de evolutie. Tijdens de presentatie van hun synthese van deze benadering tijdens de keynote-lezing, beschreef Dr. Stephanie Olson van de Universiteit van Chicago (co-auteur van de studie) de zoektocht om de beste omgevingen voor het leven op exoplaneten te identificeren:
"NASA's zoektocht naar leven in het universum is gericht op zogenaamde Habitable Zone-planeten, werelden die de potentie hebben voor vloeibare wateroceanen. Maar niet alle oceanen zijn even gastvrij - en sommige oceanen zullen door hun wereldwijde circulatiepatronen een betere plek zijn om te wonen dan andere.
“Ons werk is gericht op het identificeren van de exoplaneet oceanen die de grootste capaciteit hebben om een wereldwijd overvloedig en actief leven te herbergen. Het leven in de oceanen van de aarde hangt af van opwelling (opwaartse stroming) die voedingsstoffen terugbrengt van de donkere diepten van de oceaan naar de zonovergoten delen van de oceaan waar fotosynthetisch leven leeft. Meer opwelling betekent meer bevoorrading met voedingsstoffen, wat meer biologische activiteit betekent. Dit zijn de voorwaarden waarnaar we moeten zoeken op exoplaneten ”.
Omwille van hun studie hebben Olsen en haar collega's gemodelleerd welke omstandigheden waarschijnlijk zouden zijn op verschillende soorten exoplaneten met behulp van ROCKE-3D-software. Dit algemene circulatiemodel (GCM) is ontwikkeld door NASA's Goddard Institute for Space Studies (GISS) om verschillende punten in de geschiedenis van de aarde en andere terrestrische planeten van het zonnestelsel (zoals Mercurius, Venus en Mars) te bestuderen.
Deze software kan ook worden gebruikt om te simuleren hoe klimaten en oceaanhabitats eruit zouden zien op verschillende soorten exoplaneten. Na het modelleren van een verscheidenheid aan mogelijke exoplaneten (gebaseerd op de meer dan 4000 die tot nu toe zijn ontdekt), konden ze bepalen welke soorten exoplaneten de meeste kans hebben om bloeiende biosferen te ontwikkelen en in stand te houden.
Dit bestond uit het gebruik van een oceaancirculatiemodel dat identificeerde welke exoplaneten de meest efficiënte opwelling zouden hebben en dus oceanen zouden kunnen onderhouden onder gastvrije omstandigheden. Wat ze ontdekten was dat planeten met een hogere atmosferische dichtheid, lagere rotatiesnelheden en de aanwezigheid van continenten allemaal hogere opwaartse snelheden opleveren.
Een belangrijke uitweg hiervan is dat de aarde mogelijk niet optimaal bewoonbaar is, gezien de vrij snelle rotatiesnelheid. "Dit is een verrassende conclusie", zei Dr. Olson, "het laat ons zien dat omstandigheden op sommige exoplaneten met gunstige oceaancirculatiepatronen beter geschikt zouden kunnen zijn om leven te ondersteunen dat overvloediger of actiever is dan het leven op aarde."
Dit is een soort van goed nieuws / slechte nieuwssituatie. Aan de ene kant verbrijzelt het de illusie dat de aarde de standaard is waarmee andere potentieel bewoonbare exoplaneten kunnen worden gemeten. Aan de andere kant geeft het aan dat het leven in ons universum misschien overvloediger is dan eerdere conservatieve schattingen zouden aangeven.
Maar zoals Olsen aangaf, er zal altijd een kloof zijn tussen het leven en datgene wat door ons detecteerbaar is, vanwege beperkingen in onze technologie. Deze studie is daarom belangrijk omdat het astronomen aanmoedigt om hun inspanningen te richten op de subset van exoplaneten die hoogstwaarschijnlijk de voorkeur zullen geven aan "grote, wereldwijd actieve biosferen waar het leven het gemakkelijkst te detecteren is - en waar niet-detecties het meest zinvol zijn".
Dit zal de komende tien jaar mogelijk worden dankzij de inzet van de volgende generatie telescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST), waarvan astronomen verwachten dat ze een rol spelen bij het karakteriseren van de atmosferen en oppervlakteomgevingen van exoplaneten. Andere telescopen, die nog op de tekentafel liggen, zouden nog verder kunnen gaan - mede dankzij dergelijke studies.
"Idealiter zal dit werk het ontwerp van de telescoop informeren om ervoor te zorgen dat toekomstige missies," zei Dr. Olson, "zoals de voorgestelde LUVOIR- of HabEx-telescoopconcepten, de juiste capaciteiten hebben; nu weten we waar we naar moeten zoeken, dus we moeten gaan zoeken ”.
Als het gaat om het zoeken naar bewijs van leven buiten ons zonnestelsel (of daarbinnen), is weten waar je naar moet zoeken misschien nog belangrijker dan het hebben van de meest geavanceerde tools om het mee te doen. In de komende jaren zullen astronomen profiteren van de allernieuwste technologie en verbeterde methoden, waarbij ze alles wat we tot nu toe hebben geleerd, gebruiken om ander leven te vinden dan het onze.
