SRON - Aarde uniek?

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Thursday Aug 11th, 2022

Planeet aarde: Uniek in het heelal?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

De aarde is een van de acht planeten van het zonnestelsel. Vanaf de zon gerekend is het de derde planeet. Mercurius staat het dichtste bij, gevolgd door Venus. De planeet Mars staat ongeveer anderhalf maal verder van de zon dan de aarde. Samen vormen deze vier planten de ‘rotsachtige planeten’ van het zonnestelsel. Ze bestaan grotendeels uit rotsachtig materiaal met in hun binnenste een zware kern van nikkel en ijzer.

Binnen het zonnestelsel is de aarde uniek; geen enkele andere wereld is bewoond door wezens zoals wij. Op enkele plekken zou misschien een primitieve vorm van leven kunnen voorkomen, zoals vlak onder het oppervlak van Mars, of in de veronderstelde oceanen onder het ijzige oppervlak van de Jupitermaan Europa en de Saturnusmaan Enceladus. Tot nu toe is echter nergens anders dan op aarde (fossiel) leven aangetoond.

De zon is maar een van de ruwweg 100 miljard sterren in het Melkwegstelsel. Er bestaan vermoedelijk ook zo’n 100 miljard sterrenstelsels. Het aantal sterren in het heelal ligt daarom misschien ergens in de buurt van 10²² tot 10²³, meer dan het aantal zandkorrels dat je op aarde kunt vinden. Zou er dan nergens een ‘tweeling’ van de aarde bestaan? De geschiedenis leert dat elke veronderstelling waarin de mens, de aarde, de zon of het Melkwegstelsel een unieke plaats wordt toebedacht, onwaar is. Er is tot nu toe echter geen ‘tweede aarde’ ontdekt. Is de aarde dan uniek in het heelal? We weten het niet. Nog niet, want het ziet ernaar uit dat we binnenkort veel meer weten dan nu.

Wat weten we wel?

Met aardse telescopen zijn heel wat exoplaneten ontdekt maar die vormen vooral het ‘laaghangende fruit'. Er lopen tal van zoekprojecten. Enkele belangrijke projecten zijn:

HARPS. Het instrument wordt gebruikt op de 3,6-meter telescoop van de European Southern Observatory (ESO) op de berg La Silla in Chili. De oogst van HARPS staat op meer dan 150 exoplaneten. Veel daarvan zijn lichter dan de helft van de massa van Neptunus. Er zitten ook tientallen 'superaardes' tussen, met massa's tussen 1 en 10 keer die van de aarde. Met HARPS zijn ook 376 zonachtige sterren bestudeerd om na te gaan hoe groot de kans is dat juist bij zulke sterren planeten voorkomen. Het resultaat is facinerend: in 40% van de gevallen is er een planeet die lichter is dan Saturnus. Er zit een planeet bij die maar 3,6 maal zo zwaar is als de aarde, en op een afstand staat van de moederster waarbij de omstandigheden gunstig zijn voor het ontstaan van leven.
Lees meer: de HARPS-techniekHARPS is een spectrograaf waarmee heel subtiele veranderingen zijn waar te nemen in de plaats van de spectraallijnen in het sterspectrum. Die veranderingen worden veroorzaakt door schommelingen in de snelheid van de ster, als gevolg van een of meer planeten die om de ster draaien. Deze methode is heel nauwkeurig en kan daarom ook relatief lichte planeten ontdekken.
OGLE. Dit project van de Universiteit van Warschaw kijkt naar sterren die plotseling voor korte tijd helderder worden omdat er op grote afstand een planeet voor de ster langstrekt. De zwaartekracht van die planeet werkt dan heel even als een lens en versterkt het licht van de ver daarachter gelegen ster. Maar de telescoop ziet ook 'verduisteringen' van een ster als een planeet juist dichtbij de ster staat en er vlak voor langs trekt. Er is ruim een dozijn planeten gevonden, met beide methoden.
WASP. Automatisch werkende telescopen op het eiland La Palma en in Zuid-Afrika houden continue grote gebieden van de hemel in de gaten en speuren naar sterren die een heel klein beetje worden verduisterd door het langstrekken van een planeet. De oogst bestaat uit tientallen exoplaneten, waarvan sommige in vreemde banen bewegen.

De aardse atmosfeer maakt het waarnemen van exoplaneten niet gemakkelijk. In toenemende maten worden exoplaneten nu ontdekt met ruimtemissies. Tot de belangrijke projecten die thans operationeel zijn, behoren:

De COROT-missie van de Franse ruimtevaartorganisatie CNES (met deelname van ESA), gelanceerd op 27 december 2006. De missie is ontworpen voor astroseismologie: het waarnemen van trillingen van steroppervlakken. Net als bij aardse seismologie kan zo de structuur van het binnenste van sterren worden bepaald. Verder meet de satelliet de helderheidsvariaties die samenhangen met de trillingen. Maar die metingen geven ook informatie over periodieke 'verduisteringen' die veroorzaakt worden door exoplaneten als ze toevallig voor de ster langstrekken.Het lukt voor het eerst in mei 2007 om een exoplaneet te ‘zien’. Sindsdien zijn ongeveer twee dozijn exoplaneten ontdekt. Op één na draaien ze allemaal binnen tien dagen om hun ster. Ze staan daarom op korte afstand van die ster en zijn heel heet. De meesten zijn hete-Jupiters.
Lees meer: pech voor COROTCOROT heeft in 2009 een forse beschadiging opgelopen van een deel van de front-end elektronica. Daardoor is het gezichtsvermogen met 50% gereduceerd. Niettemin hoopt men dat de satelliet tot in 2013 actief zal blijven.
De KEPLER-missie van NASA, gelanceerd op 7 mei 2007. Deze missie is speciaal gericht op het maken van een lange, nauwkeurige tijdreeks om ook planeten te vinden die op grote afstand van hun ster staan. De satelliet kijkt de hele tijd naar een vast gebied in het Melkwegstelsel en meet voortdurend de helderheid van zo’n 145 000 sterren. Een aantal daarvan vertoont periodieke bedekkingen door een of meer exoplaneten. Tot september 2009 ziet KEPLER 1235 kandidaat-planeten bij 997 sterren. Het zijn bijna allemaal kortperiodieke planeten. Deze resultaten, bekend gemaakt in februari 2011, betekenen dat het aantal bekende exoplaneten enorm is gegroeid.
Lees meer: de KEPLER-resultatenEr zitten 68 kandidaat-planeten tussen die overeen kunnen komen met een aardachtige planeet. In 54 gevallen lijkt de afstand tot de moederster zodanig te zijn dat de temperatuur op die planeten gematigd is. Zit er een tweeling van de aarde tussen? De voorlopige resultaten geven aan dat, als het waarneemveld van KEPLER kenmerkend is voor het hele Melkwegstelsel, 17% van de sterren een planetenstelsel bezit en dat bij ruim 5% aardachtige planeten kunnen voorkomen. Overigens, zolang het gaat om kandidaat-planeten moet er nog een bevestiging komen dat het echt om een planeet gaat. Dat kan door op voorspelde tijdstippen nieuwe eclipsen te zien, en door de kandidaten te ‘wegen’. Er zijn gevallen waarin de massa vele tientallen Jupiters bedraagt, waardoor het object eerder een kleine ster is ('bruine dwerg') dan een planeet. Een bevestiging kan ook worden verkregen door de ster waar te nemen met een ander instrument, zoals de Hubble-ruimtetelescoop.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

We weten wel dat planetenstelsels, zoals rond onze zon, in overvloed voorkomen in het heelal. We noemen de planeten bij andere sterren wel 'exoplaneten'. Ze zijn met de huidige technieken eigenlijk niet rechtstreeks waar te nemen. Hun hele zwakke schijnsel wordt volledige overstraald door het licht van de moederster. Exoplaneten worden daarom op een indirecte manier ontdekt.

In december 2011 zijn zo'n 700 exoplaneten bekend. Zit daar een tweeling van de aarde bij? Nog niet echt. Verreweg de meeste exoplaneten racen in enkele dagen om hun ster. Ze draaien er dus vlakbij omheen en moeten daarom heel heet zijn. Het zijn reuzenversies van ‘onze’ planeet Jupiter. Het voorkomen van deze ‘hete Jupiters’ is op zichzelf verrassend; ons zonnestelsel zit anders in elkaar. Tenminste: op dit moment. Want sterrenkundigen hebben aan de hand van deze hete Jupiters ontdekt dat planetenstelsels op lange tijdschalen heel wat dynamischer zijn dan zich laat aanzien in ‘ons’ planetenstelsel.

Zijn de meeste planeten dan een 'hete Jupiter'? Nee. Deze exoplaneten zijn het gemakkelijkste te ontdekken met de huidige technieken. Je kunt ze in een paar weken tot enkele maanden al ontdekken, als ze dichtbij hun ster ronddraaien. Exoplaneten op grotere afstanden van hun ster voltooien in een jaar tot vele jaren hun baan. Je moet lange tijdreeksen van waarnemingen opbouwen om die te ontdekken. De huidige ‘catalogus’ van exoplaneten zegt dus nog niet veel over het aantal aardachtige planeten.
Lees meer: manieren waarop we nu exoplaneten kunnen ontdekken De eerste manier is door te kijken naar het ‘wiebelen’ van de moederster die door de ronddraaiende planeet / planeten een beetje van zijn (gemiddelde) plaats aan de hemel wordt getrokken. Je kunt kijken naar periodieke schommelingen in de radiale snelheid (langs de gezichtslijn) via de spectraallijnen in het sterlicht. Op die manier zijn snelheidsvariaties van 1 m/s te zien en in de praktijk is dit een erg bruikbare manier om exoplaneten op te sporen. Je kunt ook kijken naar de periodieke schommelingen in de transversale (loodrecht op de gezichtslijn) snelheid, door met astrometrie uiterst nauwkeurige sterposities te meten over een lange tijdreeks. Als de moederster een pulsar is kun je ook kijken naar minieme schommelingen in de pulsperiode, waaruit je de radiale snelheid afleidt.

De tweede is door te kijken naar periodieke afname van het sterlicht. Als een exoplaneet geheel of gedeeltelijk over de sterschijf trekt zal de ster iets minder fel stralen. Het is een heel subtiel effect dat je alleen met zeer nauwkeurige lichtmeters kunt waarnemen. Buiten deze twee manieren zijn er ook nog wat meer exotische methoden. Zo kun je gebruikmaken van het gravitatielenseffect. Als een exoplaneet toevallig precies voor een ver daarachter gelegen ster trekt, kan de helderheid van die ster door die ‘microlens’ tijdelijk opvlammen. Je kunt ook proberen om met een plaatje het sterlicht af te dekken (een coronograaf) zodat het planeetlicht overblijft. En je kunt via interferentie van lichtgolven proberen het sterlicht weg te filteren.

Ten slotte is er nog een manier om polarisatie-effecten te meten van sterlicht dat aan de planeet is verstrooid (zie ook het venster over (/index.php/vragen-voor-de-toekomst-50-jaar-ruimteonderzoek-2822/v-aarde-uniek/index.php?option=com_content&task=view&id=3241&Itemid=2821) spectropolarimetrie in de categorie Technologieën). Omdat planeten de meeste straling uitzenden in het infrarood, is het bij verschillende methoden verstandig om juist in dat golflengtegebied te kijken.
Lees meer: manieren om in de toekomst exoplaneten op te sporenHoe komen we echt achter het bestaan van een tweeling van de aarde? Misschien wel door het toepassen van nieuwe technologie. Veelbelovend lijkt de spectropolarimetrie (zie ook het aparte venster over (/index.php/vragen-voor-de-toekomst-50-jaar-ruimteonderzoek-2822/v-aarde-uniek/index.php?option=com_content&task=view&id=3241&Itemid=2821) spectropolarimetrie onder de categorie Technologieën) waarmee een aantal eigenschappen van de atmosfeer van exoplaneten kan worden bepaald. De polarisatie in het gemeten licht (een voorkeur voor de trillingsrichting van de fotonen) is afhankelijk van de manier waarop het sterlicht wordt verstrooid aan de atmosfeer (en het oppervlak) van de exoplaneet.

Een andere techniek bedient zich van een methode waarmee we ook de ijle buitenste atmosfeer van de zon bestuderen: de coronograaf. Het idee is om het felle sterbeeldje af te dekken zodat het zwakke schijnsel van de exoplaneet niet meer verdrinkt in het sterlicht. Nog een andere techniek voor de toekomst is de zogeheten nulling-interferometrie. Daarbij wordt een ster-met-exoplaneet waargenomen door twee telescopen waarvan de signalen worden gecombineerd. Als je dat handig doet kun je ervoor zorgen dat het sterlicht uit de ene telescoop het sterlicht uit de andere telescoop precies uitdooft. En dat dan het planeetlicht overblijft. Zulke technieken zijn met name toe te passen in ruimtemissies omdat de trillende aardatmosfeer roet in het eten gooit.