Op 40 lichtjaar afstand, in de richting van het sterrenbeeld Waterman, staat een rode dwergster – in 2000 ontdekt, en hij leek niet interessanter dan honderden miljarden andere sterren van hetzelfde type in de Melkweg.
Maar dat veranderde in 2015, toen er rond de ster drie planeetjes ter grootte van de aarde bleken te draaien. En in de volgende jaren verschenen er nog vier.
Het vreemde zonnestelsel is bijzonder, niet alleen omdat alle zeven planeten rotsplaneten zijn zoals onze aarde, maar ook omdat verschillende ervan draaien op een afstand van de ster waarbij het in principe mogelijk is dat leven er gedijt.
Daarom willen astronomen ze graag meer in detail bestuderen – en nu krijgen ze de kans daartoe.
‘Dit wordt gigantisch!’ Lars Buchhave, hoogleraar en exoplaneetonderzoeker aan de TU van Denemarken
Met de nieuwe James Webb Large Space Telescope kunnen wetenschappers exoplaneten waarnemen in een mate van detail die kan onthullen hoe de eventuele levensomstandigheden er zijn.
‘De Webb-telescoop zal ons voor het eerst in staat stellen de atmosfeer van exoplaneten ter grootte van de aarde door te meten. Het wordt gigantisch!’ zegt Lars Buchhave, hoogleraar aan de Technische Universiteit van Denemarken.
Deze vooraanstaande exoplaneetonderzoeker leidt een project waarbij de Webb-telescoop de atmosfeer van een planeet in TRAPPIST-1 zal analyseren.
Het droomscenario van de astronomen is om een atmosfeer te ontdekken met onmiskenbare sporen van leven. Als ze daarin slagen, krijgen we eindelijk te weten dat we niet alleen zijn in het heelal.
Exoplaneten zijn in opmars
De Webb werd gelanceerd op 25 december 2021, en het kostte zes maanden om hem op zijn plaats te krijgen in zijn baan op 1,5 miljoen kilometer van de aarde en hem af te stellen. Nu wordt de telescoop gebruikt door astronomen over de hele wereld, die hem op allerlei doelen richten, waaronder exoplaneten in het TRAPPIST-1-stelsel.
Op 40 lichtjaar van de aarde draaien zeven rotsplaneten rond een rode dwergster in het zonnestelsel TRAPPIST-1. De James Webb-telescoop zoekt uit welke stoffen er in hun atmosfeer zitten.
De ruimtetelescoop was eigenlijk niet bedoeld om exoplaneten te onderzoeken, maar om infrarode straling van de meest afgelegen sterrenstelsels op te vangen.
NASA begon ruim 20 jaar geleden met de ontwikkeling van de telescoop, en in die tijd waren exoplaneten nog geen grote kwestie voor astronomen. Er waren er nog maar weinig gevonden en onderzoekers hadden geen idee hoeveel er waren.
Sindsdien zwermen de verre planeten bijna de telescopen binnen, en in 2022 bereikte het aantal bekende exoplaneten de 5000. Inmiddels denken astronomen dat de meeste sterren aan de hemel door een of meer planeten omcirkeld worden.
Sommige daarvan zijn rotsplaneten als de aarde en draaien rond hun ster in de zogeheten bewoonbare zone om de ster waar het vanwege de temperaturen mogelijk is dat er vloeibaar water is aan het oppervlak. En zonder vloeibaar water is er geen leven zoals wij dat kennen.
Zo kan een planeet in TRAPPIST-1 eruitzien: met stromend water aan het oppervlak. En naburige planeten kunnen veel dichterbij zijn dan we hier op aarde gewend zijn.
Astronomen schatten dat een kwart van alle zonachtige sterren gepaard gaat met minstens één bewoonbare planeet. Het cijfer is waarschijnlijk twee keer zo hoog als we naar kleine rode dwergsterren kijken – die het talrijkst zijn in het heelal.
Dit zou betekenen dat er zich alleen al in ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, miljarden planeten bevinden die leven zouden kunnen ondersteunen, waaronder de middelste planeten van het stelsel TRAPPIST-1.
Eclips kan levensteken vinden
De echte uitdaging is om levenstekens op de exoplaneten te vinden, en daarbij kan de Webb-telescoop helpen.
Als een exoplaneet voor zijn ster langs trekt, kan de telescoop een verduistering van de ster waarnemen. Die verduistering kan ons vertellen hoe groot de planeet is, maar ze kan ons ook inzicht geven in de atmosfeer van de planeet.
Een beetje sterrenlicht passeert de atmosfeer en gaat door naar de Webb, maar onderweg zal het iets veranderd zijn. Verschillende moleculen absorberen licht bij verschillende golflengten, dus het licht heeft een soort vingerafdruk die ons laat weten waar de atmosfeer uit bestaat.
De telescoop krijgt spectrografen mee: speciale instrumenten die precies zulke vingerafdrukken kunnen lezen.
Planeetschaduw onthult tekens van leven
Als een exoplaneet voor zijn ster langs trekt, wordt de helderheid vanuit onze hoek gedimd. Het beetje licht dat vlak langs de planeet scheert op weg naar ons, bevat informatie over de stoffen in de atmosfeer en eventuele levenstekens.
1. Atmosfeer filtert het licht van de ster
Op zijn weg naar ons valt een beetje sterrenlicht door de atmosfeer van de exoplaneet. Hier absorberen gasmoleculen een deel ervan. De stoffen filteren zo bepaalde golflengten van het licht uit.
2. Webb-telescoop vangt de straling op
De infrarode straling van de ster valt op de grote spiegel van de Webb-telescoop en gaat door naar de secundaire spiegel. Vervolgens valt het door een gat naar camera’s en zogeheten spectrografen.
3. Golflengten bepalen moleculen
De spectrografen laten zien welke golflengten de atmosfeer uit het licht heeft gefilterd. Het resultaat kan het gehalte van diverse stoffen aantonen, zoals water (H2O), methaan (CH4), ozon (O3) en kooldioxide (CO2).
De techniek is bekend van de ruim 30 jaar oude ruimtetelescoop Hubble, die de atmosfeer van zeer grote planeten – dus gasreuzen als Jupiter – analyseert.
De Hubble is niet gevoelig genoeg om de atmosfeer van kleinere planeten zoals de aarde waar te nemen. Daarvoor is een telescoop met een veel grotere spiegel nodig, en die heeft de Webb. De hoofdspiegel van de Webb-telescoop vangt met zijn 25 vierkante meter licht op uit een gebied dat zes keer zo groot is als de spiegel van de Hubble-telescoop kan opvangen.
Ondanks de grote spiegel kan de Webb alleen de dichtstbijzijnde exoplaneten in de Melkweg onderzoeken. Verder kunnen astronomen slechts rotsplaneten zien die om rode dwergsterren draaien. Grotere sterren, zoals onze zon, zijn zo fel dat het signaal van de atmosfeer van een planeet door het licht overstemd wordt.
Gelukkig hebben deze beperkingen geen invloed op de verkenning van het TRAPPIST-1-stelsel. De afstand van 40 lichtjaar valt binnen het bereik van de Webb, en de zeven exoplaneten draaien toevallig rond een rode dwergster die niet al te veel stoort.
Vier planeten in de kijker
De zeven planeten zijn gelabeld van b tot h, en d, e, f en g zijn interessant omdat ze mogelijk in de bewoonbare zone liggen.
Vier planeten in het stelsel TRAPPIST-1 bevinden zich in de bewoonbare zone (groen). Bij ons is dat alleen de aarde, en Venus en Mars liggen aan de rand van de zone.
Bij zijn onderzoek van de atmosferen van de planeten heeft de Webb-telescoop de handicap dat hij alleen infrarood licht registreert. Daarom kan hij geen stoffen waarnemen die hun sporen alleen in de zichtbare en ultraviolette gebieden van het lichtspectrum nalaten.
In het infrarode bereik kan de Webb sporen ontdekken van waterdamp, kooldioxide, methaan en ammoniak. Ook kan hij ozon waarnemen, dat veel invloed zal hebben op de leefomstandigheden op een planeet. Hier op aarde speelt de ozonlaag een rol als schild, dat ons beschermt tegen de gevaarlijke uv-straling van de zon.
Van zuurstofmoleculen zijn er echter maar weinig, terwijl die een vijfde van onze dampkring uitmaken. Die zuurstof is hier het resultaat van de fotosynthese waarmee levende organismen zonlicht, water en kooldioxide om weten te zetten in koolhydraten en zuurstof.
Als het leven bij ons geen zuurstof produceerde, zou de atmosfeer er heel anders hebben uitgezien.
20 procent van de atmosfeer van de aarde bestaat uit zuurstofmoleculen door fotosynthese van planten.
Om die reden is het natuurlijk jammer dat de Webb geen zuurstofmoleculen in de atmosfeer kan vinden. Maar gelukkig zijn er ook andere stoffen die op tekens van leven kunnen duiden.
Zo hebben Amerikaanse onderzoekers ontdekt dat methaan een levensteken kan zijn in een atmosfeer die rijk is aan kooldioxide, maar arm aan koolmonoxide. Zo’n atmosfeer zou lijken op onze eigen dampkring van 2,5 miljard jaar geleden – 1,3 miljard jaar nadat het leven begon.
50 van de 5000 bekende exoplaneten kunnen leven herbergen
In 2022 bereikte het aantal bekende exoplaneten de 5000. Sommige van de verre planeten zijn heel anders dan die we kennen uit ons eigen zonnestelsel. Bekijk hier een overzicht van de verschillende soorten exoplaneten.
Misschien zullen de metingen van de Webb aantonen dat een of meer van de TRAPPIST-1-planeten bewoond worden door micro-organismen die methaan afscheiden, net zoals wanneer de bacteriën op aarde biogas produceren.
Natuurlijk is het ook mogelijk dat de resultaten van de Webb-telescoop niet zo zeker zullen zijn als astronomen hopen en er meer bewijs nodig zal zijn. Daarvoor zou een nieuwe telescoop kunnen zorgen, die – als alles goed gaat – halverwege de jaren 2040 de ruimte in zal gaan.
Voorlopig wordt hij Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor genoemd, of LUVOIR. Zoals de naam al zegt, ontvangt de telescoop niet alleen infrarood, maar ook zichtbaar en ultraviolet licht. Hiermee kan hij meer stoffen in de atmosferen van exoplaneten vinden dan de Webb.
Webbs opvolger krijgt een beter uitzicht
Anders dan de Webb-telescoop wordt de komende LUVOIR, die in de jaren 2040 gelanceerd zal worden, ontworpen om exoplaneten te bestuderen. Drie technieken geven hem een grotere kans om tekens van leven te vinden.
1. Grotere spiegel geeft scherpere beelden
De resolutie van de beelden van ruimtetelescopen hangt af van de grootte van hun spiegels. Over de grootte van de spiegel van de LUVOIR is nog niets beslist, maar hij wordt waarschijnlijk 1-2 meter groter dan die van de Webb.
2. Coronagraaf verduistert de ster
Het zwakke licht van een exoplaneet wordt snel overstemd door de veel fellere straling van de ster. De LUVOIR krijgt een coronagraaf: een instrument dat sterrenlicht tegenhoudt, zodat de planeet veel beter te zien is.
3. Breed spectrum vindt meer stoffen
De Hubble-telescoop vangt vooral licht in het zichtbare bereik, terwijl de Webb infrarood licht waarneemt. De LUVOIR zal ultraviolet, zichtbaar en infrarood licht kunnen zien en dus meer stoffen in de atmosfeer van exoplaneten opsporen.
Het is niet zeker hoe groot de LUVOIR precies gaat worden. In het verleden zijn modellen met spiegels tot 15 meter doorsnee overwogen, maar waarschijnlijk zal de spiegel iets groter zijn dan de 6,5 meter van de Webb-telescoop.
In elk geval wordt de telescoop een krachtiger hulpmiddel bij de pogingen om tekens van leven op exoplaneten te vinden. En anders dan de Webb kan de LUVOIR ook de atmosferen analyseren van planeten rond zonachtige sterren.
Dus als de Webb-telescoop er niet in slaagt succes te boeken bij rode dwergsterren, kan de LUVOIR het definitieve bewijs leveren van leven buiten de aarde – in een zonnestelsel zoals het onze.