9 keer boffen – en kijk, daar is onze oase

Onze gastvrije aarde zou niet moeten kunnen bestaan. Als ze niet op een andere planeet gebotst was, zou het hier nu bar en boos zijn – en dat is lang niet het enige ‘als’. Diep in het heelal speuren de astronomen naar planeten die ook zo geboft hebben.

Shutterstock

Hoog boven de nachtkant van de planeet zweeft een sonde. Zijn sensoren zijn stijf gericht op het pikdonkere landschap duizenden kilometers onder hem.

De sonde verzamelt informatie over de samenstelling van de atmosfeer, speurt naar lichtbronnen op de bodem en luistert naar radioruis in de ether. Alles om de vraag te beantwoorden: is er leven daar beneden?

Het antwoord is een duidelijk ja, want de planeet die de sonde op 8 december 1990 verkent, is die van ons, de aarde. De sonde is de Galileo, en dit gedeelte van zijn missie – zoeken naar leven op aarde – is niet zo gek als het klinkt.

1e gelukje: Supernova geeft warmte

5000 miljoen jaar geleden: De zon, de aarde en andere planeten zijn gevormd uit een wolk van materiaal. Als er niet toevallig tezelfdertijd een nabije ster was geëxplodeerd als supernova, was de aarde een ijsklontje geworden, blijkt nu uit onderzoek.

De supernova leverde veel radioactieve stoffen voor de nieuwe planeet, zoals aluminium 26A1. De energie van het radioactief verval liet overtollig water verdampen en houdt de aardkern nog steeds warm.

Kans: 10%

Zonder een supernova is de samenstelling van planeten zodanig dat ze onbewoonbaar zijn.

Uit zijn observaties kunnen de astronoom Carl Sagan en collega’s opmaken dat een bewoonbare planeet altijd sporen zal vertonen die technisch gezien vanaf een grote afstand op te vangen zijn.

In 1995, vijf jaar later, vinden astronomen de eerste exoplaneet in een baan om een ster die doet denken aan de zon. Plotseling wordt de vreemde missie van de Galileo erg relevant.

De planeet, 51 Pegasi b, is dan wel een gloeiend hete, Jupiterachtige reus die zeer dicht om zijn ster draait en dus vrijwel zeker levenloos en onbewoonbaar is, maar de ontdekking is het begin van een nieuw soort ruimtewedloop – de zoektocht naar bewoonbare hemellichamen in vreemde zonnestelsels, en dus het antwoord op een van de grootste vragen van de wetenschap: heeft het leven andere oases in het heelal gevonden of is de aarde een toevalstreffer?

2e gelukje: Saturnus houdt Jupiter in het gareel

4600 miljoen jaar geleden: Er zijn veel Jupiterachtige exoplaneten gevonden, die vaak zeer dicht om hun ster draaien. Net als Jupiter zelf zijn ze waarschijnlijk ver van hun ster ontstaan en er daarna naartoe getrokken, onderweg alle rotsplaneten verwijderend.

Zonnestelsels met zogeheten hete Jupiters dicht bij de ster hebben daarom geen planeten als de aarde op de juiste afstand van de ster. Wetenschappers hebben berekend dat er een extra gasreus als Saturnus nodig was om Jupiter in
het gareel te krijgen en ruimte te maken voor Mercurius, Venus, de aarde en Mars.

Kans: 5%

Bij slechts enkele stelsels houden twee gasreuzen elkaar vast en maken ze plaats voor rotsplaneten.

1. Jupiter naar de zon

Jupiter trekt in het prille zonnestelsel naar de zon met zijn grote rotsplaneten om zich heen. Veel exoplanetenstelsels zien er nog steeds zo uit.

2. Planeten botsen

Jupiter laat de andere planeten botsen en stuurt ze naar de zon toe, tot hij zelf op zijn reis naar de zon wordt afgeremd door de zwaartekracht van Saturnus.

3. Jupiter wijkt

Nu Jupiter weg is, kunnen de aarde en andere planeten ontstaan uit de kleine planeten. Dit soort planetenstelsels komt niet vaak voor.

Uitkijken naar aarde nummer 2

In 2019 ligt het aantal bevestigde planeten buiten ons zonnestelsel op 4071. Ze zijn over 3043 sterrenstelsels verdeeld, waarvan 659 meer dan één planeet hebben. Maar van die duizenden planeten zakt de meerderheid al meteen voor de test ‘lijk ik op de aarde?’.

Onder de planeten die meteen worden afgeschreven, bevinden zich de gasreuzen, maar ook de meeste rotsplaneten zakken, want ze draaien te dicht om hun ster of juist te ver ervandaan, zijn veel kleiner of groter dan de aarde of hebben het verkeerde type ster.

Naarmate er meer nieuwe exoplaneten worden ontdekt en de astronomen meer te weten komen over de bekende exoplaneten, wordt de lijst met topscorers bijgewerkt.

3e gelukje: Aarde gaat bewoonbare zone in

4540 miljoen jaar geleden: Vloeibaar water is cruciaal voor het leven op aarde – en misschien voor leven in het algemeen. Het maakt veel uit hoe ver een planeet van zijn ster staat.

Als de afstand te klein is, wordt water stoom en als hij te groot is, bevriest het. Maar de aarde kwam in de bewoonbare zone terecht. De straling van de zon is sinds zijn ontstaan toegenomen, maar al die 4,6 miljard jaar is de positie van de aarde perfect geweest.

Diverse onderzoeken, onder meer uit 2019, wijzen erop dat de bewoonbare zone nog smaller is dan gedacht. Een planeet moet binnen een band liggen van slechts een kwart van de zone die eerder als leefbaar werd beschouwd; alleen dan kan de atmosfeer hoger leven ondersteunen.

Kans: 0,5%

1 op de 100 exoplaneten ligt in de bewoonbare zone, maar door de ovale baan vaak niet constant.

1. Oude bewoonbare zone

Buitengrens: Een atmosfeer van broeikasgas houdt de temperatuur hoog en water bevriest niet.

Binnengrens: Het blijft koud door wolken en een zwak broeikaseffect – water zal er dus niet koken.

2. Nieuwe bewoonbare zone

Buitengrens: Doordat het CO2 al vroeg de atmosfeer uit vriest, treedt er geen broeikaseffect op.

Binnengrens: Ultravioletstraling zet waterdamp om in O en H, dus het water verdwijnt in de ruimte.

In 2019 komt de exoplaneet K04878.01 het dichtst in de buurt van de aarde. Hij scoort 0,98 in de zogeheten Earth Similarity Index, de ‘aardegelijkenisschaal’, waarbij de aarde zelf op 1 is gesteld. De planeet K04878.01 heeft bijna dezelfde grootte als de aarde en bevindt zich in een baan waarbij hij slechts 3 procent meer straling dan de aarde krijgt van een ster die sterk op de zon lijkt.

Onderzoeken naar factoren die niet zijn opgenomen in de ESI-waarde duiden er echter op dat de luchtdruk in de atmosfeer van K04878.01 tien keer zo hoog is als hier, waardoor leven er waarschijnlijk niet zal floreren.

Een andere topscorer, de planeet TRAPPIST-1e, heeft vrijwel geen atmosfeer. Hoewel de twee planeten in veel opzichten op de aarde lijken, hebben ze zich kennelijk anders ontwikkeld dan onze planeet.

4e gelukje: Botsing geeft de aarde perfecte grootte

4520 miljoen jaar geleden: Oorspronkelijk was de aarde kleiner dan nu, maar een paar miljoen jaar na haar ontstaan botste ze op een kleinere planeet, Theia, ter grootte van Mars.

De ijzeren kern van Theia zonk de aarde in en het lichtere materiaal werd de ruimte in geslingerd en vormde de maan. De aarde heeft daarom een ongewoon grote kern in verhouding tot haar omvang, wat helpt om een magnetisch veld in stand te houden dat het leven tegen straling beschermt.

Planeten met zo’n forse kern zijn meestal veel groter dan de aarde en onbewoonbaar. Als een rotsplaneet twee keer zo groot wordt als de aarde, verandert hij vermoedelijk in een gasplaneet.

Zo’n planeet zal een dikke atmosfeer van waterstof en helium hebben met een druk van enkele duizenden keren de druk op aarde. En als hij zich te dicht bij zijn ster bevindt, zal die atmosfeer verdampen, waardoor de planeet gloeiend heet wordt.

Kans: 0,5%

De aardkern is waarschijnlijk heel groot in verhouding tot de omvang van de planeet.

Leven heeft tijd nodig om op te komen, en de baan van de planeet en de straling van de ster moeten miljarden jaren constant zijn. Maar niet alleen de omstandigheden óp de planeet beïnvloeden de bewoonbaarheid – ook de omstandigheden binnenin.

Zo is een actieve bodem cruciaal voor het leven op aarde en waarschijnlijk ook elders.

De plaatbewegingen stabiliseren de bodemomstandigheden doordat ze het gehalte aan broeikasgassen in de atmosfeer bijstellen. De zogeheten koolstofkringloop levert bijvoorbeeld CO2 aan de atmosfeer bij vulkaanuitbarstingen, en oude korstplaten brengen het weer de planeet in.

5e gelukje: Maan stabiliseert onze seizoenen

4510 miljoen jaar geleden: De maan is cruciaal voor de draaiing van de aarde, en dus voor het klimaat. Uit computersimulaties blijkt dat de maan de richting van de aardas stabiliseert. En de richting van die as bepaalt de seizoenen.
Een rotsplaneet ter grootte van de aarde die geen grote maan heeft, zal rondbuitelen met variaties in de asrichting tot 10 graden per 10.000 jaar. Dat leidt tot instabiele seizoenen en een zeer variabel klimaat.

Kans: 5%

Manen komen veel voor, maar geen andere rotsplaneet heeft zo’n grote maan als de aarde.

Met maan: Brede stabiele zone

Zolang de aarde de maan als satelliet heeft, kan de planeet een stabiele oriëntatie in de ruimte aanhouden en daarmee vaste seizoenen, als de rotatieas maar 0° tot 60° helt.

Zonder maan: Smalle stabiele zone

Zonder maan zou de stabiele zone smaller worden. De aarde zou alleen een stabiele oriëntatie kunnen aanhouden als de helling van de rotatieas tussen de 85° en 90° blijft.

Een Japans team onder leiding van de geoloog Takehiro Miyagoshi simuleerde in 2015 het binnenste van rotsplaneten groter dan de aarde.

Daarbij bleek dat de korst te dik en de druk in de planeet te hoog is voor een platentektoniek. Andere analyses tonen aan dat platentektoniek ook op rotsplaneten met precies de juiste omvang, temperatuur en samenstelling moeilijk op gang komt.

En de onderzoekers weten niet eens zeker hoe het proces op aarde is begonnen.

6e gelukje: Actieve geologie is onze thermostaat

3200 miljoen jaar geleden: Het klimaat heeft altijd sterk gevarieerd: van broeikaswarmte tot ijstijden, waarin gletsjers en zee-ijs grote delen van de aarde bedekten.

Maar telkens als de temperatuur extreem wordt, stelt de thermostaat van de aarde hem weer bij door het broeikasgasgehalte in de atmosfeer aan te passen. Door de platentektoniek wordt het broeikasgas CO2 gebonden en weer afgestaan, waardoor planten kunnen bestaan.

In 2019 rekende Carnegie Institution for Science in de VS uit wat er zou zijn gebeurd als de aarde geen thermostaat had gehad. Mogelijk was het hier zo heet geworden als op Venus, of was de atmosfeer vervlogen, zoals op Mars.

Kans: 1%

Geen andere planeet in het zonnestelsel kent de voor een stabiel klimaat vereiste platentektoniek.

Te warm

Als het op aarde warmer wordt, valt er meer neerslag. Het regenwater lost CO2 op en voert het mee de bodem in. Doordat het CO2-gehalte in de atmosfeer daalt, wordt de temperatuur lager.

Te koud

Als het op aarde koeler wordt, valt er minder neerslag. Dan lost er minder CO2 op in regenwater en neemt het CO2-gehalte in de atmosfeer toe. Daardoor stijgt de temperatuur.

Supertelescoop zoekt zuurstof

Astronomen kunnen nu alleen de diameter van de exoplaneet en zijn afstand tot de ster observeren, maar nieuwe telescopen geven een veel gedetailleerder beeld – en zeker de grootste telescoop op aarde, de Extremely Large Telescope (ELT), die in 2025 op het heelal zal worden gericht.

Hij maakt deel uit van de zuidelijke sterrenwacht van Europa in de Atacamawoestijn in Chili en heeft een diameter van 39 meter. Ter vergelijking: de grootste telescopen van dit moment hebben een diameter van rond de 10 meter.

De beelden van de ELT zullen 16 keer zo scherp zijn als die van de Hubbletelescoop.

7e gelukje: Vrije zuurstof baant de weg voor leven

850 miljoen jaar geleden: Alle hogere dieren hebben zuurstof nodig. Op de jonge aarde was zuurstof chemisch gebonden, maar dit veranderde toen voorlopers van de blauwalgen 3400 miljoen jaar terug de fotosynthese ontwikkelden.

De eerste miljard jaar ging zuurstof een verbinding aan met onder meer ijzer, maar 850 miljoen jaar geleden begon het zuurstofpeil boven in zee en in de atmosfeer te stijgen, wat de weg vrijmaakte voor meercellig leven.

Kans: 5%

Vrije zuurstof stelt veel eisen. We hebben nog geen exoplaneten met vrije zuurstof gevonden.

Een hoofdtaak is het in kaart brengen van het aantal aardeachtige stelsels in allerlei gradaties van ontwikkeling in de omgeving van het zonnestelsel, onder meer door het analyseren van protoplanetaire schijven rond pas ontstane sterren, waarbij de astronomen vooral geïnteresseerd zijn in de verdeling van elementen, moleculen en massa.

Deze informatie kan leemten in het ontstaansverhaal van de aarde opvullen en uitwijzen of de jeugd van ons zonnestelsel normaal of bijzonder was. De ELT kan ook de massa van exoplaneten bepalen.

8e gelukje: Jupiter voorkomt meteorietinslag

750 miljoen jaar geleden: Meteorieten waren ooit nuttig, want ze gaven de prille aarde gestalte: ze vergrootten de massa van de aarde en leverden veel water aan. Misschien hebben ze zelfs enkele belangrijke bouwstenen voor het leven meegebracht.

Maar nu vormen meteorieten een probleem. Sinds het hogere leven zo’n 750 miljoen jaar geleden ontstond, wordt het bedreigd, zoals bij de inslag die 66 miljoen jaar terug de dinosauriërs uitroeide. Gelukkig heeft de aarde een kosmische beschermheer: Jupiter.

Uit simulaties blijkt dat veel grote objecten de binnenste planeten van het zonnestelsel zouden rammen als de gasreus niet fungeerde als een stofzuiger die met zijn enorme zwaartekracht rots- en ijsblokken aantrekt.

Kans: 50%

Een gasreus staat in veel stelsels te dicht bij de ster om andere planeten te kunnen bechermen.

Op basis van de diameter van die planeten kunnen de astronomen hun dichtheid berekenen en hun chemische samenstelling inschatten.

Met die kennis kunnen ze wellicht te weten komen of er een kans is dat de planeet een beschermend magneetveld en een geologie met platentektoniek heeft, zoals de aarde.

Verder hopen astronomen dat de ELT zo krachtig is dat hij de atmosfeer van bekende aardeachtige planeten kan analyseren, en vooral van de topkandidaten K04878.01 en TRAPPIST-1e.

9e gelukje: Magnetisch veld nog net gered

565 miljoen jaar geleden: Het magnetisch veld is cruciaal voor het leven op aarde. Samen met de atmosfeer vormt het veld een dubbel schild dat het leven beschermt tegen schadelijke ruimtestraling. Ook houdt het veld de atmosfeer en oceanen vast, die anders weggeblazen zouden worden door de stroom deeltjes van de zon, de zonnewind. Er zijn sporen gevonden van een aardmagnetisch veld tot 4200 miljoen jaar geleden.

Maar nieuw onderzoek laat zien dat het veld 565 miljoen jaar geleden bijna was verdwenen, net toen het geavanceerde dierenleven op het punt stond om door te breken.

Het aardmagnetisch veld ontstaat als geladen deeltjes in het vloeibare deel van de aardkern bewegen. Maar 565 miljoen jaar geleden waren die bewegingen zo traag dat het veld nog geen 10 procent van zijn huidige kracht had. Nu blijkt uit onderzoek dat het veld echter plotseling zijn kracht herwon – volgens onderzoekers doordat toen de vaste binnenkern ontstond.

Die duwde stoffen naar de vloeibare buitenkern, en het temperatuurverschil tussen de twee kernen herstelde de stromen die nog altijd het magnetische veld vasthouden.

Kans: 5%

Voor een magnetisch veld is een rotsplaneet met de juiste samenstelling en kernomvang nodig.

Opwarming

De aarde heeft een vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern. De binnenkern verhit de koelere buitenkern.

Beweging

De hitte brengt de kern in beweging. De rotatie van de aarde buigt de stromen af tot parallelle spiralen.

Magnetisme

De spiralen creëren het aardmagnetisch veld zoals een dynamo: de mechanische rotatie wekt stroom op.

En het zou helemaal mooi zijn als ze vrije zuurstof vinden. Dit gas reageert makkelijk met andere verbindingen, dus in de atmosfeer van een rotsplaneet zit alleen zuurstof als die continu wordt aangemaakt.

En dit gebeurt waarschijnlijk uitsluitend in complexe biochemische processen zoals onze fotosynthese.

De ELT en andere nieuwe instrumenten zullen ons de komende tien jaar dichter bij een antwoord brengen op de vraag: is het leven ook elders geëvolueerd of heeft de aarde gewoon enorm geboft?

0,0000000000078125%* …

… zo klein was de kans dat de aarde zich ontpopte als een plek geschikt voor leven. Statistisch gezien is maar één op de 25 biljard planeten zoals de onze. De aarde is het resultaat van negen keer enorm boffen.

De cijfers zijn berekend door de waarschijnlijkheid voor de negen beschreven gelukjes met elkaar te vermenigvuldigen. Er komt soms enig giswerk bij kijken.

Lees ook:

Aarde

Gerommel in de baan van de aarde: 2020 is langer – en heeft een week extra

5 minuten
Aarde

7500 ton schroot draait om de aarde

2 minuten
Aarde

Zo kwam er water op aarde

3 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!