Nu gaan we de adem van aliens meten

Er zijn twee mogelijkheden: of we zijn alleen in het heelal, of niet. Beide mogelijkheden zijn even huiveringwekkend.

Deze uitspraak van sciencefictionauteur Arthur C. Clarke vat de huidige kennis van buitenaards leven samen.

We hebben geen tastbare bewijzen van aliens, maar aangezien er 4000 hemellichamen in andere zonnestelsels zijn gevonden, kan er volgens de astronomen elders in het heelal best leven zijn.

En voor het eerst zijn er nu methoden om dat op te sporen.

Onderzoekers hebben de laatste 30 jaar de baan, omvang en massa van exoplaneten in kaart gebracht, en nu begint die enorme klus vrucht af te werpen.

De grote doorbraak kwam toen wetenschappers de observaties van de Hubble-telescoop analyseerden en aanwijzingen vonden voor waterdamp in de atmosfeer van een planeet in een ander zonnestelsel.

Opnieuw een planeet die het keurmerk ‘bewoonbaar’ krijgt omdat hij op de juiste afstand om zijn ster draait en qua omvang op de aarde lijkt.

Dankzij dit spoor staan we op dit moment hopelijk aan de vooravond van een gouden eeuw voor de zoektocht naar buitenaards leven.

NASA’s nieuwste planetenjager heeft een aardeachtige planeet gevonden – en zo ziet hij eruit:

Waar kan er zich leven bevinden?

In 1993 beschreef astronoom James Kasting het begrip ‘bewoonbare zone’. Vloeibaar water is de basis van het ons bekende leven.

Daarom moeten we volgens Kasting de afstand bepalen tot een ster waar water niet door hitte verdampt of door kou bevriest.

De bewoonbare zone werd ‘Goudlokjezone’ genoemd, naar het sprookje waarin de pap niet te warm of te koud mocht zijn.

Deze definitie dient sindsdien als leidraad voor de analyse van andere zonnestelsels.

Twee jaar na Kastings artikel dook er een exoplaneet op, 51 Pegasi b: de eerst bekende in een baan rond een ster als onze zon.

Deze is gevonden aan de hand van de radiële snelheid, waarbij verschuivingen in de golflengte van sterrenlicht gemeten worden; die zijn te wijten aan de zwaartekracht van de planeet die tijdens zijn rondje in zijn baan aan zijn ster trekt.

Op basis van deze verschuiving wordt de massa van de planeet berekend. Hoe groter de massa, hoe meer het licht ‘uitgerekt’ en dus roder of juist ‘gecomprimeerd’ en dus blauwer wordt.

Goudlokjezone wordt werkelijk

Sinds 1995 zijn er op aarde grotere en betere telescopen gebouwd en worden er steeds meer geavanceerde ruimtetelescopen op exoplaneetjacht gestuurd.

De astronomen hebben niet alleen de massa van planeten weten te bepalen, zoals bij 51 Pegasi b, maar ook hun diameter.

De telescoop CHEOPS, die is gelanceerd in december 2019, gaat nu de diameter nameten van planeten die al zijn gespot met grondtelescopen.

De diameter is te vinden met de transitmethode, waarbij onderzoekers meten hoeveel de lichtsterkte van een ster afneemt terwijl een planeet er voorlangs trekt.

Als de massa en de omvang van een planeet bekend zijn, kan worden achterhaald wat de dichtheid is, en daarmee of de planeet bijvoorbeeld een gasplaneet is zoals Jupiter en Saturnus of een vaste rotsplaneet zoals de aarde en Venus.

Inmiddels zijn er zo’n 4000 exoplaneten waargenomen met telescopen als Hubble, Kepler en Spitzer.

Astronomen hebben een gedetailleerde planetencatalogus opgesteld en ‘Goudlokjezone’ is niet langer slechts een woord uit een oud sprookje, maar een goed gedocumenteerd verschijnsel.

Waterdamp opent nieuw tijdperk

In september 2019 legden de astronomen een belangrijk puzzelstukje toen er water in de atmosfeer van de planeet K2-18 b bleek te zitten.

Deze planeet op 110 lichtjaar van ons vandaan is met acht keer de aardmassa een zogeheten superaarde. Hij staat dicht bij zijn ster en draait er in 33 dagen omheen, maar omdat deze ster veel zwakker is dan onze zon, is de temperatuur er gematigd.

En toen de astronomen K2-18 b bestudeerden met de Hubble, zagen ze bovendien dat een deel van het sterrenlicht werd geabsorbeerd door moleculen in de atmosfeer van de planeet.

De golflengten van het licht dat onderweg ‘verdween’, kwamen overeen met een heel bekend molecuul dat licht kan absorberen: H2O.

De onderzoekers hadden waterdamp in de atmosfeer gevonden; een analyse wees zelfs uit dat het klimaat van K2-18 b waarschijnlijk wordt beïnvloed door regen.

Het begrip Goudlokjezone werd nu dus ondersteund door de observatie van water. Al is het nog niet duidelijk hoe goed de omstandigheden voor leven precies zijn op K2-18 b, de vondst van water is een enorme doorbraak die een nieuw tijdperk opent voor de verkenning van de ruimte.

Nu zoomen wetenschappers in op planeten die zozeer op de aarde lijken dat we er levenstekens kunnen verwachten.

Waar we eerst alleen Goudlokjeplaneten in kaart brachten, kunnen waarnemingen nu bepalen welke van de opties van Arthur C. Clarke de juiste is: zijn we alleen of niet?

Stel je een toekomst voor waarin het geen vraag meer is of er buiten ons zonnestelsel leven bestaat. Leven is op duizenden of miljoenen hemellichamen wetenschappelijk aangetoond.

Methaan van de spijsvertering van primitieve dieren is met geavanceerde telescopen gemeten en het licht van ruimteschepen van hightech beschavingen is waargenomen.

Klinkt dat als pure sciencefiction? Niet volgens de 58-jarige Avi Loeb, theoretisch natuurkundige, astronoom en hoofd van het instituut voor astronomie van Harvard.

‘We weten niet of er elders leven is,’ valt Avi Loeb met de deur in huis als Wetenschap in Beeld hem in Boston aan de lijn krijgt.

‘Maar wel dat de fysieke omstandigheden op miljarden planeten alleen al in de Melkweg lijken op die van de aarde. En ons stelsel is er maar één van de biljoenen in het waarneembare heelal.

Dus ik vind het arrogant om te zeggen dat wij nou zo bijzonder zijn, en dat de omstandigheden op aarde nergens anders te vinden zijn.

Het lijkt mij niet zo gek dat er leven zoals we dat kennen op andere plekken in de ruimte is – zelfs leven dat veel geavanceerder is dan dat van ons.’

Niet alleen is er buitenaards leven, meent Avi Loeb, hij legt ook uit dat we nu de technologie beginnen te krijgen om tekens ervan op te vangen.

De astronomie kan dus een grote sprong voorwaarts maken in het zoeken naar leven. Sinds de ontdekking van de eerste exoplaneten zo’n 30 jaar geleden hebben we gekeken of planeten vloeibaar water kónden bevatten en of ze bewoonbaar kónden zijn.

Nu zoomen we in en zoeken we naar concrete levenstekens. Niet of ze er kúnnen zijn, maar of ze er zíjn. Volgens Avi Loeb zullen de vele nieuwe telescopen en technologieën uitsluitsel geven.

Is daar iemand, en zo ja, waar? De beroemde astronoom Frank Drake heeft wel een idee:

Nieuwe telescopen in aantocht

Onze kennis van exoplaneten is de laatste decennia enorm gegroeid, maar we hebben er nog steeds slechts een wazig beeld van.

Telescopen worden tot het uiterste gedreven vanwege de afstanden in het heelal. Het is lastig om het licht van exoplaneten op te vangen, want ze worden al snel overstraald door hun ster.

Na de vondst van waterdamp op de exoplaneet K2-18 b legde astrofysicus Ingo Waldmann de nieuwssite The Verge uit hoe moeilijk het is om een planeet op 110 lichtjaar afstand te onderzoeken: het is alsof je in New York staat en probeert de kleur van de vleugels van een mug te bepalen die voor een schijnwerper in Londen langs vliegt.

Maar de volgende generatie krachtigere telescopen zal astronomen nieuwe kansen bieden om exoplaneten te bestuderen.

Zo zal de telescoop Vera C. Rubin Observatory (VCRO) in Chili vanaf 2022 een gedetailleerd fotoalbum van de nachthemel opleveren door die gedurende tien jaar te fotograferen.

De telescoop kan vele nieuwe exemplaren ontdekken, en vanaf 2025 kan de 39,4 meter grote European Extremely Large Telescope (ELT) deze nader bestuderen.

De diameter van de grootste spiegel van de ELT is vier keer zo groot als die van de grootste huidige optische telescoop op aarde.

En in de ruimte krijgen we vanaf 2021 de James Webb Space Telescope, die een enorme spiegel heeft met een diameter van 6,5 meter: veel groter dan de 2,4 meter van zijn voorganger, de Hubble.

Naast een grotere spiegel, die meer licht kan opvangen, kan de James Webb-telescoop licht in infrarode golflengten opvangen, terwijl de Hubble ultraviolet en zichtbaar licht waarneemt.

Daarom is de James Webb veel geschikter om de atmosfeer van exoplaneten te bestuderen.

Moleculen geven leven prijs

Met de James Webb-telescoop rond de aarde kunnen astronomen wereldwijd atmosferen uitkammen op sporen zoals organismen hier op onze eigen aardbol achterlaten.

De fotosynthese van planten en de ademhaling van dieren creëren bijvoorbeeld een kringloop van gassen die gemeten kan worden.

Die sporen noemen we biosignaturen, en naast zuurstof uit fotosynthese van planten kan zo’n signatuur ook methaangas zijn dat van dieren afkomstig is.

De onderzoekers willen nu met de James Webb-telescoop spectroscopie toepassen. Als sterrenlicht door de atmosfeer van een exoplaneet valt en ons bereikt, is het onderweg veranderd.

Een deel ervan is afgebogen, een ander deel is geabsorbeerd door de moleculen in de atmosfeer.

Bepaalde moleculen absorberen licht op specifieke golflengten, en daarom is aan de samenstelling van licht te zien of er bepaalde moleculen aanwezig zijn.

En we moeten geen genoegen nemen met zuurstof of methaan, vindt astronoom Avi Loeb. Wanneer astronomen bijvoorbeeld de aanwezigheid van zowel zuurstof als methaan in een atmosfeer meten, is dit een sterkere indicator van leven.

Methaan is namelijk een zogeheten reducerend gas, dat mettertijd zuurstof uit de atmosfeer zal verwijderen, tenzij er voortdurend zuurstof bijkomt via bijvoorbeeld fotosynthese.

Een onderzoeksteam van de Canadese McGill University heeft het lichtspectrum bestudeerd dat af te lezen valt uit de gassen in onze eigen atmosfeer.

Zo ontdekten ze de ‘vingerafdruk’ van de aarde, een volledig lichtspectrum dat de combinatie van water, methaan, zuurstof en koolstofdioxide van de aarde dekt.

Die vingerafdruk is bruikbaar als maatstaf bij het onderzoeken van de atmosfeer van exoplaneten.

Zonnecellen zijn ’s nachts te zien

Volgens Avi Loeb gaan wetenschappers nu al een stap verder dan de biosignatuur van atmosferen en zoeken ze ook naar licht van planten in de zeeën op exoplaneten, want vegetatie zendt hier misschien rood licht uit onder het ultraviolette licht van een ster.

Dit verschijnsel, biofluorescentie geheten, is bekend van de vegetatie van onze planeet. Astronomen noemen het plantenlicht the red edge vanwege de lichtkleur, en mogelijk is het ook te vinden op exoplaneten.

‘We kunnen naar dezelfde red edge op planeten rond andere sterren zoeken, want die kan erop duiden dat ze begroeiing op het oppervlak hebben,’ legt Avi Loeb uit.

Als we licht van planten vinden, zou dat al sensationeel zijn, maar Loeb vindt dat de jacht op leven nog ambitieuzer kan zijn: we moeten op zoek naar intelligente wezens.

Astronomen kunnen bijvoorbeeld het basisprincipe van de ‘rode rand’ gebruiken om zonnecellen te zoeken op een verre planeet.

Wanneer een buitenaardse beschaving van ons soort zonnecellen gebruikmaakt, weerkaatsen die licht op kortere golflengten dan planten en daarom geven ze een ‘kunstrand’ die eerder blauw dan rood is.

‘Dat zou dan op intelligent leven duiden. En dan kunnen we de signalen misschien op grotere afstand zien, omdat ze mogelijk veel krachtiger zijn,’ aldus Loeb, die zelfs al een exoplaneet in gedachten heeft: Proxima b.

De planeet draait om de buurster van de zon, Proxima Centauri, en staat daar circa 20 keer zo dichtbij als de aarde bij de zon.

Proxima Centauri geeft wel veel minder licht dan onze zon. Door de korte afstand tot zijn ster zit de planeet vast in een zogeheten synchrone of gebonden rotatie met de ster, waardoor hij net als de maan een verlichte dagzijde en een verduisterde nachtzijde heeft, en die zijden zijn altijd hetzelfde.

‘Als er beschaafde wezens op de planeet zijn, hebben ze misschien zonnecellen op de dagzijde gebouwd om energie op te kunnen wekken om de donkere zijde te verlichten of warmte over te brengen.

Daar kom je snel achter door een afwijking op te sporen in de hoeveelheid licht die de planeet uitstraalt, vergeleken met het licht als de planeet een donkere nachtzijde zou hebben,’ zegt Loeb.

Straatverlichting in het heelal

Avi Loeb weet dat sommige astronomen hem bekritiseren vanwege onrealistische theorieën. Maar hij is niet voor één gat te vangen.

Hij beschouwt gravitatiegolven en zwarte gaten als voorbeelden van het feit dat theorieën vaak pas na decennia worden bevestigd.

Zelf publiceerde hij in 2011 met zijn collega Edwin Turner van Princeton University een theorie.

Ze rekenden in hun artikel voor dat het licht van Tokio ’s nachts met de Hubble-telescoop te zien zou zijn vanuit de Kuipergordel – een brede strook van kometen en planetoïden op 100 keer de afstand van de zon tot de aarde.

In hetzelfde artikel stelde het duo dat het licht van een kunstbron, zoals een hoogtechnologische beschaving – of beter gezegd de manier waarop het licht wordt gedimd wanneer de exoplaneet van ons weg beweegt – met een heel andere formule kan worden beschreven dan het licht van de ster dat op de planeet afketst.

Tot nu toe werd aangenomen dat die twee formules hetzelfde zouden zijn, dus Loeb en zijn collega hadden aangetoond dat het theoretisch mogelijk is om kunst- en natuurlijk licht van elkaar te onderscheiden.

‘Als mensen denken dat ze het antwoord van tevoren weten, gaan ze niet meer na of het klopt,’ aldus Avi Loeb.

Ruimteschepen zenden flitsen uit

Wellicht hoeven we niet zo ver te zoeken om sporen te vinden van hightech buitenaardse wezens.

Want misschien komen ze wel naar ons. Op 19 oktober 2017 namen astronomen het eerste interstellaire object, ‘Oumuamua, waar in het zonnestelsel.

Het bewoog met een versnelling die je anders alleen ziet bij kometen. Maar omdat de astronomen geen komeetstaart konden vinden, vroeg Avi Loeb zich af of de acceleratie van een lichtzeil kwam.

Hierbij wordt de stralingsdruk van een lichtbron – zoals een laser – gebruikt om een ruimtevaartuig aan te drijven door het licht naar een reflecterend zeil te zenden.

De technologie stuwt ruimtevaartuigen veel sneller voort dan onze chemische raketten.

Misschien, zegt Loeb, heeft een buitenaardse beschaving de technologie al onder de knie en is ‘Oumuamua daar een ruimtevaartuig van.

In elk geval moeten we zoeken naar dit soort aanwijzingen – bijvoorbeeld met de komende Vera C. Rubin-telescoop.

‘Als je daarvoor een krachtige lichtstraal hebt, kan een deel van het licht om het zeil heen lekken, en dan kunnen we het zien als we het van die kant bekijken.

Het zou even te zien zijn als een felle lichtflits, en daar kunnen we naar zoeken,’ legt Loeb uit.

Als we de weerkaatsing van zonnecellen op verre planeten, de vervuiling van verre beschavingen of flitsen van hun vaartuigen kunnen observeren, dan zal dit niet alleen een doorbraak voor de astronomie zijn en mogelijk tot een nieuwe ruimtewedloop leiden; het zal volgens Loeb ook ander licht werpen op ons bestaan in het heelal.

‘Als zij (de ruimtewezens, red.) bijvoorbeeld een miljard jaar langer de tijd hebben gehad om hun wetenschap en technologie te ontwikkelen, zullen zij voor ons als goden zijn.

Dus ik zou ze willen vragen wat de zin van het leven is. Het is een fundamentele vraag, en misschien weten ze het antwoord.’