De zoektocht naar buitenaards leven buiten ons zonnestelsel is momenteel gericht op extrasolaire planeten binnen de 'bewoonbare zones' van exoplanetaire systemen rond sterren die vergelijkbaar zijn met de zon. Het vinden van aardachtige planeten rond andere sterren is het primaire doel van NASA's Kepler-missie.
De bewoonbare zone (HZ) rond een ster wordt gedefinieerd als het bereik van afstanden waarover vloeibaar water zou kunnen bestaan op het oppervlak van een terrestrische planeet, gegeven een voldoende dichte atmosfeer. Terrestrische planeten worden over het algemeen gedefinieerd als rotsachtig en lijken qua grootte en massa op de aarde. Een visualisatie van de bewoonbare zones rond sterren met verschillende diameters en helderheid en temperatuur wordt hier getoond. De rode regio is te heet, de blauwe regio is te koud, maar de groene regio is precies goed voor vloeibaar water. Omdat het zo te omschrijven is, wordt de HZ ook wel de "Goudlokje-zone".
Normaal denken we dat planeten rond andere sterren vergelijkbaar zijn met ons zonnestelsel, waar een gevolg van planeten een enkele ster draait. Hoewel theoretisch mogelijk, debatteerden wetenschappers of planeten ooit zouden worden gevonden rond paren van sterren of meerdere sterrenstelsels. Vervolgens kondigden onderzoekers van NASA's Kepler-missie in september 2011 de ontdekking aan van Kepler-16b, een koude, gasvormige planeet van Saturnusformaat die om een paar sterren draait, zoals de fictieve Tatooine van Star Wars.
Deze week kreeg ik de kans om een van de jonge kanonnen te interviewen die exoplaneten bestuderen, Billy Quarles. Maandag presenteerden Billy en zijn co-auteurs, professor Zdzislaw Musielak en universitair hoofddocent Manfred Cuntz, hun bevindingen over de mogelijkheid van aardachtige planeten in de bewoonbare zones van Kepler 16 en andere circumbinary star-systemen, tijdens de AAS-bijeenkomst in Austin, Texas .
"Om de bewoonbare zone te definiëren, berekenen we de hoeveelheid flux die op een object op een bepaalde afstand valt," legde Billy uit. “We hebben er ook rekening mee gehouden dat verschillende planeten met verschillende atmosferen warmte anders zullen vasthouden. Een planeet met een heel zwak broeikaseffect kan dichter bij de sterren staan. Voor een planeet met een veel sterker broeikaseffect ligt de bewoonbare zone verder weg. ”
“In onze specifieke studie hebben we een planeet die om twee sterren draait. Een van de sterren is veel helderder dan de andere. Zoveel helderder, dat we de flux van de kleinere, zwakkere metgezel helemaal negeerden. Onze definitie van de bewoonbare zone is in dit geval dus een conservatieve schatting. ”
Quarles en zijn collega's hebben uitgebreide numerieke onderzoeken uitgevoerd naar de stabiliteit op lange termijn van planetaire banen binnen de Kepler 16 HZ. "De stabiliteit van de planetaire baan hangt af van de afstand tot de dubbelsterren", zegt Quarles. "Hoe verder weg, hoe stabieler ze zijn, omdat er minder verstoring is door de secundaire ster."
Voor het Kepler 16-systeem zijn planetaire banen rond de primaire ster slechts stabiel tot 0,0675 AU (astronomische eenheden). 'Dat ligt ruim binnen de binnengrens van bewoonbaarheid, waar het weggelopen broeikaseffect het overneemt', legde Billy uit. Dit sluit de mogelijkheid van bewoonbare planeten in een nauwe baan rond de primaire ster van het paar vrijwel uit. Wat ze ontdekten was dat banen in de Goldilocks-zone verder naar buiten, rond het paar Kepler 16's lichte massa-sterren, stabiel zijn op tijdschalen van een miljoen jaar of meer, wat de mogelijkheid biedt dat het leven zou kunnen evolueren op een planeet binnen die HZ.
De ongeveer cirkelvormige baan van Kepler 16b, ongeveer 65 miljoen mijl van de sterren, bevindt zich aan de buitenrand van deze bewoonbare zone. Als gasreus is 16b geen bewoonbare terrestrische planeet. Echter, een aarde-achtige maan, een Goudlokje maan, in een baan rond deze planeet, zou het leven in stand kunnen houden als het massief genoeg was om een aardachtige atmosfeer te behouden. "We hebben vastgesteld dat een bewoonbare exomoon mogelijk is in een baan rond Kepler-16b," zei Quarles.
Ik vroeg Quarles hoe de stellaire evolutie deze Goudlokje-zones beïnvloedt. Hij vertelde me: 'Er zijn een aantal zaken waarmee u rekening moet houden tijdens de levensduur van een systeem. Een daarvan is hoe de ster in de loop van de tijd evolueert. In de meeste gevallen begint de bewoonbare zone dichtbij en drijft dan langzaam uit. '
Tijdens de levensduur van een hoofdreeks van een ster bouwt nucleaire verbranding van waterstof helium op in zijn kern, waardoor de druk en temperatuur toenemen. Dit komt sneller voor bij sterren die zwaarder zijn en een lager metaalgehalte hebben. Deze veranderingen beïnvloeden de buitenste delen van de ster, wat resulteert in een gestage toename van de helderheid en de effectieve temperatuur. De ster wordt helderder, waardoor de HZ naar buiten beweegt. Deze beweging kan ertoe leiden dat een planeet binnen de HZ aan het begin van de levensduur van een hoofdreeks te heet wordt en uiteindelijk onbewoonbaar wordt. Evenzo kan een onherbergzame planeet die oorspronkelijk buiten de HZ ligt, ontdooien en het leven mogelijk maken.
"Voor onze studie negeerden we het stellaire evolutiegedeelte", zegt hoofdauteur Quarles. "We hebben onze modellen een miljoen jaar lang gebruikt om te zien waar de bewoonbare zone was voor dat deel van de levenscyclus van de ster."
Op de juiste afstand van zijn ster staan is slechts een van de noodzakelijke voorwaarden voor een leefbare planeet. Voor bewoonbare omstandigheden op een planeet zijn verschillende geofysische en geochemische omstandigheden nodig. Veel factoren kunnen bewoonbaarheid voorkomen of belemmeren. De planeet heeft bijvoorbeeld mogelijk geen water, de zwaartekracht is mogelijk te zwak om een dichte atmosfeer vast te houden, de snelheid van grote inslagen is mogelijk te hoog of de minimale ingrediënten die nodig zijn voor het leven (nog steeds ter discussie) zijn er mogelijk niet.
Een ding is duidelijk. Zelfs met alle levensvereisten zoals we die kennen, lijken er genoeg planeten te zijn rond andere sterren, en zeer waarschijnlijk, Goudlokje manen rond planeten, in een baan rond de bewoonbare zones van sterren in ons sterrenstelsel, dat het waarnemen van de handtekening van leven in de atmosfeer van een planeet of maan rond een andere zon nu slechts een kwestie van tijd lijkt.
