Een dipje in het licht, gevolgd door een nog kleiner dipje – en dat drie keer achter elkaar. Daar worden de astronomen blij van, want die lichtdipjes kunnen de eerste aanwijzingen van een maan in een vreemd zonnestelsel zijn: een exomaan.
Die potentiële exomaan, Kepler-1625b I, dook op in de bergen gegevens die de Kepler, de ruimtetelescoop van NASA, van 2009 tot 2013 heeft verzameld. De maan draait rond de zonachtige ster Kepler-1625 op zo’n 8000 lichtjaar van de aarde.
Rond deze ster draait een gasplaneet die zich, in tegenstelling tot de gasreuzen van het zonnestelsel, zo dicht bij zijn ster bevindt dat hij in de bewoonbare zone is waar in theorie leven kan ontstaan.
In de praktijk zal dat echter niet het geval zijn op die planeet, die geen vast oppervlak heeft, maar misschien wel op de gigantische maan die eromheen draait.
Deze maan is zo groot als de planeet Neptunus en daarmee vier keer zo groot als de aarde, en uniek in het hele planetenstelsel.
Als de maan van steen is, kan leven er gedijen – en daarin staat deze maan vermoedelijk niet alleen, want als de ruim 3800 planeten die zijn ontdekt rond vreemde sterren ook maar iets op de planeten in het zonnestelsel lijken, zal het er wemelen van de exomanen waarop leven mogelijk is. Daar zoeken de astronomen nu dus naar.
Maan blijft opduiken
Het zoeken naar exomanen begon toen de astronoom David Kipping en collega’s van Columbia University in de VS in 2011 de data van de Kepler-telescoop doorspitten op sporen van manen.
De telescoop neemt een exoplaneet waar als deze in zijn baan voor een ster langs glijdt en zo wat licht blokkeert. Als er een grote maan rond de exoplaneet draait, neemt het schaduweffect toe wanneer de maan naast de planeet staat, maar niet wanneer de maan zich voor of achter de planeet bevindt.
Zo zorgt de maan ervoor dat de schaduw van de planeet varieert, maar slechts een beetje, waardoor astronomen betwijfelden of de schaduw van een exomaan wel te onderscheiden is van de veel grotere schaduw van de planeet toen de Amerikanen hun studies startten. Maar David Kipping liet zich niet afschrikken.
Drie manenjagers
De potentiële exomaan Kepler-1625bI is gevonden in de berg gegevens die door de ruimtetelescoop Kepler is verzameld en door de ruimtetelescoop Hubble bevestigd. Maar pas wanneer de James Webb-telescoop in 2021 vertrekt, krijgen we de eerste heldere foto’s van exoplaneten.
Acht jaar lang heeft zijn onderzoeksteam de observaties van Kepler van 284 exoplaneten uitgekamd op mogelijke exomanen.
Slechts één kandidaat heeft alle tests doorstaan: Kepler-1625b I. Deze potentiële exomaan draait rondjes om de gasplaneet Kepler-1625b, die tijdens observaties van de ruimtetelescoop van 2009 tot 2013 driemaal voor zijn zonachtige ster langs trok.
Na de drie passages van de grote gasreus zorgvuldig te hebben bestudeerd en toen het verloop op een supercomputer te hebben gesimuleerd, schatten de onderzoekers dat het risico één op 16.000 was dat het signaal te wijten was aan toeval of een fout.
Maar dat bewees het bestaan van de exomaan nog niet definitief.
Voordat een ontdekking boven alle twijfel verheven is, zou het risico op fouten volgens de astronomen slechts één op 3,5 miljoen moeten zijn.
Dit geldt vooral als het gaat om een grote doorbraak als de ontdekking van de eerste exoplaneet. Daarom kreeg Kippings onderzoeksteam 40 uur observatietijd met de ruimtetelescoop Hubble – die veel groter is dan de Kepler – toen de planeet in oktober 2017 voor de ster langs trok.
Het rondje van de gasreus om de ster duurt 287 dagen en de passage duurt zo’n 19 uur. Uit de nieuwe waarnemingen bleek dat er om de gigantische gasreus op 3 miljoen kilometer afstand een exomaan draait zo groot als Neptunus.
Opvolger van Kepler is bijna klaar
De James Webb-ruimtetelescoop wordt volgens plan in 2020 gelanceerd en gaat onder andere op zoek naar exomanen. Maar ingenieurs testen nu al of de telescoop bestand is tegen de zware omstandigheden in de ruimte
Testkamer wordt beschermd tegen bacteriën
Organische moleculen kunnen de instrumenten van de telescoop beschadigen. Daarom wordt de testkamer beschermd met platen met een steriel oppervlak.
Spiegels worden vóór test gemeten
De spiegels van de telescoop worden onderworpen aan een serie tests, onder andere een simulatie van de hevige trillingen tijdens de lancering. Hier meten ingenieurs de spiegels voorafgaand aan de test.
Steunstructuur is bedekt met beschermende folie
De ondersteunende structuur van de telescoop is bekleed met thermische goudfolie en moet net als de rest van de telescoop de ijzige temperaturen in de ruimte aankunnen.
Maar omdat bijzondere ontdekkingen sterke bewijzen vereisen, wil David Kipping meer gegevens verzamelen. Daarom diende de onderzoeksgroep een aanvraag in voor een nieuwe observatieronde met de Hubble om in mei 2019 de volgende passage van de planeet voor de ster te bestuderen.
Leven wil een ruime behuizing
In het zonnestelsel hebben de astronomen 185 manen ontdekt, dus wanneer vreemde stersystemen vergelijkbaar zijn, dan is het aantal exomanen duizelingwekkend groot.
En sommige manen kunnen, anders dan die in ons stelsel, intelligent leven bevatten.
Voor gevorderd leven moet een exomaan minstens zo groot zijn als Mars, want de zwaartekracht van de maan moet miljarden jaren lang een dikke atmosfeer in stand kunnen houden, wil leven zich ontwikkelen.
Zulke grote manen zijn er niet in het zonnestelsel, waar de grootste, Ganymedes van Jupiter, slechts een kwart van de massa van Mars bevat. Eerdere studies van de meer dan 2600 bevestigde exoplaneten tonen echter aan dat andere planetenstelsels erg verschillen van het zonnestelsel, wat ook zal gelden voor hun exomanen.
De meeste manen in het zonnestelsel komen voort uit dezelfde wolk van stof en gas als die waaruit de planeten ontstonden: stof hoopt zich op tot stenen, die elkaar aantrekken en langzaam planeten en manen vormen. De manen die zo zijn ontstaan, zijn echter niet groter dan Ganymedes, maar andere processen brengen grotere voort.
Onze maan is bijvoorbeeld waarschijnlijk gevormd toen de aarde en een object ter grootte van Mars op elkaar botsten, en zo’n proces kan ook tot grotere versies leiden.
In vreemde planetenstelsels zijn al veel superaardes opgedoken: grote rotsplaneten met soms wel tien keer de massa van de aarde. Bij botsingen daartussen kunnen best exomanen zijn ontstaan die veel groter zijn dan Mars.
Maan is bij een botsing ontstaan
De massa van de maan bedraagt slechts 1,2 procent van die de aarde, maar een botsing kan tot grotere manen hebben geleid. Een exomaan zo groot als de aarde kan zeeën en continenten met leven bevatten.
1.
De maan van de aarde is ontstaan door een botsing van de jonge aarde en een planetesimaal ter grootte van Mars.
2.
Door de klap ontstond er een enorme waaier van gesmolten ijzer en gesteente, die de ruimte in werd geslingerd.
3.
Mettertijd koelde de steenmassa af en ontstond daaruit de maan, die vandaag de dag geologisch dood is.
In gevallen waarin de superaarde rond een zonachtige ster draait, bevinden de planeet en zijn mogelijke manen zich vaak zo dicht bij de ster dat vloeibaar water niet kan bestaan.
Maar superaardes komen ook voor bij zwakkere dwergsterren, waar de levensomstandigheden goed kunnen zijn. NASA’s nieuwste planetenjager, Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), werd in 2018 gelanceerd en moet scherpstellen op 1000 rode dwergsterren in onze omgeving, en hier zal de satelliet zeker rotsplaneten met grote exomanen kunnen vinden.
De onderzoekers zijn er echter niet van overtuigd dat botsingen verklaren waarom de gasreus Kepler-1625b een maan groot als Neptunus heeft. Er kan een derde proces in het spel zijn: in het zonnestelsel is Triton mogelijk een dwergplaneet die ingevangen is door het gravitatieveld van Neptunus en een maan werd.
Reuzenplaneet trekt een maan aan
Een gasreus die naar de bewoonbare zone trekt, kan onderweg grote rotsplaneten of andere gasreuzen invangen. Grote manen kunnen zeeën hebben waarin leven kan groeien.
1.
Neptunus' grote maan Triton is een dwergplaneet, die eerder een paar vormde met een andere dwergplaneet.
2.
Op een gegeven moment kwamen de twee planeten, die dicht om elkaar heen draaien, bij de ijsreus in de buurt.
3.
Neptunus' gravitatieveld ving de ene in, die als maan een baan ging beschrijven. De andere werd weggeslingerd.
In exoplanetenstelsels kunnen hete gasplaneten dezelfde truc met superaardes hebben uitgehaald.
Gasreuzen ontstaan in de uithoeken van sterrenstelsels, waar ijs, stof en steen snel een grote kern vormen die veel gas aantrekt.
Door ontmoetingen tussen jonge gasreuzen zijn sommige misschien naar de warmere binnenstreken geslingerd.
Tijdens die reis hebben de reuzen mogelijk rotsplaneten ingevangen en deze omgevormd tot manen.
Belanden de reuzen in de bewoonbare zone van de ster, waar vloeibaar water kan zijn, dan kunnen de levensomstandigheden op de bijbehorende rotsmanen gunstig zijn.
Exomanen geven levensruimte
Voor het leven hoeven de manen zich echter niet in de bewoonbare zone te bevinden.
Planeten die verder in het stelsel liggen dan de bewoonbare zone, zijn veel te koud om vloeibaar water en leven op het oppervlak te kunnen hebben, maar op de grote manen eromheen kunnen in theorie wel levende wezens voorkomen.
Europa’s geisers kunnen microben huisvesten
Europa zit vol scheuren en kloven, waarschijnlijk ontstaan door het getijdenwater van een grote binnenzee, die leven kan bevatten. In 2013 vond de Hubble-telescoop tekenen van stoom in geisers.
Ganymedes bevat een grote binnenzee
De Jupitermaan is met een diameter van 5268 km de grootste maan van het zonnestelsel. Onder de ijzige korst bevat de maan een oceaan met mogelijk meer zout water dan de aarde. Hier kunnen bacteriën op de zeebodem leven.
Enceladus spuwt sporen van leven
Gletsjers op de zuidpool van de maan spuwen stoom uit een binnenzee. Data van de Cassinisonde wezen in 2018 uit dat er moleculen in zitten die van leven kunnen stammen.
Titan heeft een dikke atmosfeer
De op een na grootste maan van het zonnestelsel, Titan, is ook de enige met een flinke atmosfeer. Die bestaat uit stikstof, methaan en waterstof en doet denken aan onze vroege dampkring.
Hier zijn vooral gasplaneten interessant, omdat ze de manen op drie verschillende manieren kunnen opwarmen. Ten eerste kan de warmtestraling van de gasreus de maan verhitten. Ten tweede kan de enorme planeet het sterrenlicht naar de maan kaatsen. En ten derde kunnen de extreme getijdenkrachten van de gasreus het magma in een rotsmaan met meerdere landmassa’s in beweging brengen.
Zo kan er een gigantische wrijvingswarmte ontstaan, die de temperatuur van de maan vergroot. Als de maan op een passende afstand van de reus blijft, kunnen getijdenkrachten hem precies warm genoeg houden voor vloeibaar water op het oppervlak, ook als gasreus en maan zich ver in de koude delen van een planetenstelsel bevinden.
De ruimtetelescoop James Webb, die in 2021 door NASA zal worden gelanceerd, kan waarschijnlijk rechtstreeks grote exomanen zien door de infrarode warmtestraling die ze uitzenden op te vangen. Het is dan ook het makkelijkst om grote, hete rotsmanen te ontdekken die om gasreuzen draaien ver in een planetenstelsel. De ster staat dan zo ver weg dat de zwakke maneschijn niet in de sterke straling van de ster verdrinkt.
121 manen kunnen leven bevatten
Levensjagers blijven zoeken naar nieuwe informatie in de gegevens van de Kepler-
telescoop, die 2652 bevestigde exoplaneten omvat. De onderzoekers richten zich vooral op hete, Jupiterachtige gasplaneten, omdat die zich veel vaker dan superaardes in de bewoonbare zone van hun ster bevinden.
Onlangs heeft Stephen Kane, hoogleraar astronomie aan de Amerikaanse universiteit van Californië, 121 gasreuzen gevonden die zich in de bewoonbare zone rond hun ster bevinden.
Deze reuzenplaneten kunnen rotsmanen hebben die leven huisvesten.
Als we grote manen rondom een of meer ‘hete Jupiters’ kunnen ontdekken, zal de volgende stap zijn om uit te vogelen of deze manen leven bevatten, en zo ja in welke versie. Dat kunnen astronomen bepalen aan de hand van de samenstelling van de atmosfeer van de manen. In principe is dat vrij eenvoudig.
Wanneer de infrarode warmtestraling vanaf het oppervlak van de maan via de atmosfeer de ruimte in vliegt, absorberen moleculen verschillende golflengten daarvan, wat kan aangeven waaruit de atmosfeer bestaat.
Wanneer de onderzoekers bijvoorbeeld grote hoeveelheden methaan ontdekken, kan het gas worden geproduceerd door micro-organismen, terwijl grote hoeveelheden zuurstof van bacteriën of van planten afkomstig kunnen zijn.
Voor geavanceerd leven is een maan ter grootte van Mars nodig. De grootste maan in het zonnestelsel, Ganymedes, heeft slechts een kwart van de massa van Mars. De kleinste, de Mars-maan Deimos, heeft een diameter van circa 12 kilometer.
In de praktijk is het echter lastig, want die manen zenden slechts een klein beetje warmtestraling uit ten opzichte van zowel de gasreus als de ster waaromheen ze draaien.
De analyses zullen daarom niet mogelijk zijn voordat de James Webb-ruimtetelescoop aan de slag gaat. Deze telescoop heeft een spiegel met een diameter van 6,5 meter, bijna drie keer zo groot als die van de Hubble-telescoop, en daarmee kan hij warmtestraling opvangen die meer dan 27 °C warm is.
Ter vergelijking: de temperatuur op aarde was gemiddeld 22 °C toen de eerste dieren ongeveer 540 miljoen jaar geleden ontstonden.
Dieren kijken als telescopen
Er spelen zich al sciencefictionfilms af op exomanen, zoals Endor in Star Wars en het magische Pandora in Avatar. Maar als er op de exomanen in het echt intelligent leven is, zijn de omstandigheden vast anders.
Ontwikkelde levensvormen op een rotsmaan in een baan om een gasreus moeten zijn aangepast aan een milieu met hevige aardbevingen en vulkaanuitbarstingen, die een onvermijdelijk gevolg zullen zijn van de enorme getijdenkrachten waar de gasreus de maan aan blootstelt.
De lucht zal er dan ook vol roet en as zitten. Het daglicht van de zon zal in de loop van de maand variëren omdat de enorme planeet vaak gedeeltelijk of geheel in het licht staat, en de schittering van de enorme planeet zal de nacht vullen met een diffuus geeloranje licht. In zo’n milieu hebben planten grote, donkere en brede bladeren om het schijnsel te kunnen gebruiken voor hun fotosynthese.
Wanneer planteneters voedsel zoeken en roofdieren dus tussen de donkere planten jagen, zijn hun ogen wellicht zo groot als schoteltjes.
Leven op een grote rotsmaan – het is nog pure verbeelding. Maar met de mogelijke ontdekking van een exomaan kunnen de astrobiologen binnenkort wellicht laten zien hoe leven op zo’n hemellichaam eruitziet.