De telescooptechnologie gaat snel vooruit, naarmate er steeds grotere instrumenten worden gebouwd. Als er leven is, zullen we het dan herkennen? Onderzoekers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en NASA hebben een lijst met tijdperken in de geschiedenis van de atmosfeer van de aarde ontwikkeld die via dit instrument zichtbaar zouden kunnen zijn; vanaf de vroegste tijden dat het leven opkwam tot onze huidige, zuurstof / stikstofrijke atmosfeer.
Het is slechts een kwestie van tijd voordat astronomen een planeet ter grootte van een aarde vinden die om een verre ster draait. Als ze dat doen, zijn de eerste vragen die mensen zullen stellen: is het bewoonbaar? En nog belangrijker, is er al leven op aanwezig? Voor aanwijzingen naar de antwoorden kijken wetenschappers naar hun thuisplaneet, de aarde.
Astronomen Lisa Kaltenegger van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) en Wesley Traub van NASA's Jet Propulsion Laboratory en CfA, stellen voor om de atmosferische geschiedenis van de aarde te gebruiken om andere planeten te begrijpen.
'Goede planeten zijn moeilijk te vinden', zei Kaltenegger. "Ons werk biedt de wegwijzers waar astronomen naar zullen zoeken bij het onderzoeken van werkelijk aardachtige werelden."
Geologische gegevens tonen aan dat de atmosfeer van de aarde de afgelopen 4,5 miljard jaar dramatisch is veranderd, mede als gevolg van de ontwikkeling van levensvormen op onze planeet. Kaltenegger en Traub brengen in kaart welke gassen de atmosfeer van de aarde in zijn geschiedenis vormden en stellen voor dat wetenschappers door te zoeken naar een vergelijkbare samenstelling van de atmosfeer op andere werelden, zullen kunnen bepalen of die planeet leven heeft, en zo ja, het evolutionaire stadium van dat leven. Het onderzoekspapier dat hun werk beschrijft, is online beschikbaar op http://arxiv.org/abs/astro-ph/0609398.
Tot op heden zijn alle planeten buiten ons zonnestelsel indirect bestudeerd, bijvoorbeeld door te volgen hoe een gastheerster wiebelt terwijl de zwaartekracht van de planeet eraan trekt. Slechts vier extrasolaire planeten zijn direct gedetecteerd en het zijn enorme werelden van Jupiter-formaat. De atmosfeer van een van deze werelden werd gedetecteerd door een andere CfA-wetenschapper, David Charbonneau, met NASA's Spitzer-ruimtetelescoop. De volgende generatie ruimtemissies, zoals NASA's Terrestrial Planet Finder (TPF) en ESA's Darwin, zullen rechtstreeks nabijgelegen aardse werelden kunnen bestuderen.
Astronomen willen vooral de zichtbare en infrarode spectra van verre terrestrische planeten observeren om meer te weten te komen over hun atmosfeer. Bepaalde gassen laten handtekeningen achter in het spectrum van een planeet, zoals vingerafdrukken of DNA-markeringen. Door die vingerafdrukken te ontdekken, kunnen onderzoekers de samenstelling van een atmosfeer leren kennen en zelfs de aanwezigheid van wolken afleiden.
Tegenwoordig bestaat de atmosfeer van de aarde uit ongeveer driekwart van de stikstof en een vierde van de zuurstof, met een klein percentage van andere gassen zoals koolstofdioxide en methaan. Maar vier miljard jaar geleden was er geen zuurstof aanwezig. De atmosfeer van de aarde is geëvolueerd door zes verschillende tijdperken, elk gekenmerkt door een bepaald mengsel van gassen. Met behulp van een computercode ontwikkeld door Traub en CfA-collega Ken Jucks, hebben Kaltenegger en Traub elk van de zes tijdperken van de aarde gemodelleerd om te bepalen welke spectrale vingerafdrukken door een verre waarnemer zouden worden gezien.
"Door het verleden van de aarde te bestuderen, kunnen we meer te weten komen over de huidige staat van andere werelden", legt Traub uit. "Als er een exoplaneet wordt gevonden met een spectrum dat lijkt op een van onze modellen, kunnen we mogelijk de geologische toestand, de bewoonbaarheid en de mate waarin het leven daarop is geëvolueerd, karakteriseren."
Om deze tijdsperioden of 'tijdperken' beter te begrijpen en in perspectief te plaatsen, kan men de geschiedenis van 4,5 miljard jaar van de aarde terugbrengen tot één jaar, met data die beginnen met 1 januari - de datum waarop de aarde werd gevormd.
EPOCH 0 - 12 februari
In tijdperk 0 (3,9 miljard jaar geleden) bezat de jonge aarde een turbulente, dampige atmosfeer die voornamelijk bestond uit stikstof, kooldioxide en waterstofsulfide. De dagen waren korter en de zon was zwakker en scheen als een rode bol door onze oranje, baksteenkleurige lucht. De enige oceaan die onze hele planeet bedekte, was een modderig bruin dat bombardementen van binnenkomende meteoren en kometen absorbeerde. Kooldioxide hielp onze wereld op te warmen, aangezien het kindje Zon een derde minder helder was dan vandaag. Hoewel er in deze periode geen fossielen overleefden, is het mogelijk dat isotopische handtekeningen van leven zijn achtergelaten in de rotsen van Groenland.
EPOCH 1 - 17 maart
Ongeveer 3,5 miljard jaar geleden (tijdperk 1) bestond het planeetlandschap uit vulkanische eilandketens die uit de uitgestrekte mondiale oceaan staken. Het eerste leven op aarde was anaërobe bacteriën - bacteriën die zonder zuurstof konden leven. Deze bacteriën pompten grote hoeveelheden methaan in de atmosfeer van de planeet en veranderden deze op detecteerbare manieren. Als vergelijkbare bacteriën op een andere planeet bestaan, zouden toekomstige missies zoals TPF en Darwin hun vingerafdruk in de atmosfeer kunnen detecteren.
EPOCH 2 - 5 juni
Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden (tijdperk 2) bereikte de atmosfeer zijn maximale methaanconcentratie. De dominante gassen waren stikstof, kooldioxide en methaan. Continentale landmassa's begonnen zich te vormen. Blauwgroene algen begonnen grote hoeveelheden zuurstof in de atmosfeer te pompen. Er stonden grote veranderingen op het punt.
"Het spijt me dat ik de eerste tekenen van E.T. waarschijnlijk geen radio- of tv-uitzendingen zijn; in plaats daarvan zou het zuurstof uit algen kunnen zijn ”, klaagde Kaltenegger.
EPOCH 3 - 16 juli
Twee miljard jaar geleden (Epoch 3) veranderden deze eerste fotosynthetische organismen de balans van de atmosfeer permanent - ze produceerden zuurstof, een zeer reactief gas dat veel van het methaan en koolstofdioxide verwijderde, terwijl het ook de anaërobe, methaan-producerende bacteriën verstikte. Hierdoor kreeg de atmosfeer van de planeet zijn eerste vrije zuurstof. Het landschap was nu vlak en vochtig. Terwijl vulkanen in de verte rookten, creëerden schitterend gekleurde poelen van groenbruin schuim een glans op het met stank gevulde water. De zuurstofrevolutie was volop aan de gang.
“De introductie van zuurstof was in die tijd catastrofaal voor het dominante leven op aarde; het heeft het vergiftigd, 'zei Traub. 'Maar tegelijkertijd maakte het een meercellig leven mogelijk, inclusief het menselijk leven.'
EPOCH 4 - 13 oktober
800 miljoen jaar geleden ging de aarde tijdperk 4 binnen, met aanhoudende stijgingen van de zuurstofniveaus. Deze periode valt samen met wat nu bekend staat als de "Cambrische explosie". Het Cambrium begon 550 tot 500 miljoen jaar geleden en is een belangrijk markeerpunt in de geschiedenis van het leven op aarde: het is de tijd dat de meeste grote diergroepen voor het eerst in de fossielen verschijnen. De aarde was nu bedekt met moerassen, zeeën en een paar actieve vulkanen. De oceanen werkten samen met het leven.
EPOCH 5 - 8 november
Eindelijk, 300 miljoen jaar geleden, in tijdperk 5, was het leven van de oceanen naar het land verhuisd. De atmosfeer van de aarde had haar huidige samenstelling van voornamelijk stikstof en zuurstof bereikt. Dit was het begin van de Mesozoïcumperiode waarin ook de dinosauriërs zaten. Het landschap leek op een zondagmiddag op Jurassic Park.
EPOCH 6 - 31 december (11:59:59)
De intrigerende vraag die overblijft, is: hoe zou tijdperk 6, de tijdsperiode die mensen tegenwoordig innemen, eruit zien? Kunnen we de veelbetekenende tekenen van buitenaardse technologieën op verre werelden detecteren?
Kunnen we, terwijl de algemene consensus onder wetenschappers opbouwt dat menselijke activiteit de atmosfeer van de aarde heeft veranderd door zowel kooldioxide als gassen als Freon in te voeren, de spectrale vingerafdrukken van die bijproducten op andere werelden identificeren? Hoewel satellieten in de ruimte en ballonexperimenten deze veranderingen hier thuis kunnen meten, gaan het detecteren van vergelijkbare effecten op een verre wereld zelfs de mogelijkheden van aankomende programma's zoals Terrestrial Planet Finder en Darwin te boven. Er zijn gigantische flottieljes van toekomstige ruimtegebaseerde infraroodtelescopen nodig om die metingen te kunnen uitvoeren.
"Hoe beangstigend deze uitdaging ook klinkt", zei Kaltenegger, "ik geloof echt dat we de komende decennia zullen weten of onze kleine blauwe wereld helemaal alleen is in het universum of dat er buren zijn die wachten om ons te ontmoeten."
Dit onderzoek is gefinancierd door NASA.
Het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), met hoofdkantoor in Cambridge, Massachusetts, is een gezamenlijke samenwerking tussen het Smithsonian Astrophysical Observatory en het Harvard College Observatory. CfA-wetenschappers, georganiseerd in zes onderzoeksdivisies, bestuderen de oorsprong, evolutie en het uiteindelijke lot van het universum.
Oorspronkelijke bron: CfA News Release
