De Zoektocht Naar Planeten Buiten Het Zonnestelsel

Rond elke ster die we aan de hemel zien, draait ten minste één planeet, zegt astronoom Sara Seager. Wat weten we over deze exoplaneten en hoe kunnen we er meer over te weten komen? Seager introduceert haar favoriete set van exoplaneten en toont nieuwe technologie die kan helpen bij het verzamelen van informatie erover - en ons zelfs helpt bij het zoeken naar exoplaneten met leven.

"Ik kom jullie wat vertellen over de echte zoektocht naar buitenaards leven. Niet over kleine groene mannetjes in glanzende UFO's, hoewel dat mooi zou zijn, maar over de zoektocht naar planeten rond sterren ver weg. Elke ster in onze hemel is een zon. Als onze zon planeten heeft - Mercurius, Venus, Aarde, Mars, enz., hebben die andere sterren dat zeker ook, en dat is zo.

In de laatste twee decennia hebben astronomen duizenden exoplaneten gevonden. Onze nachtelijke hemel is letterlijk gevuld met exoplaneten. We weten dat statistisch gezien elke ster ten minste één planeet heeft. Bij onze zoektocht naar planeten zullen we in de toekomst planeten als Aarde vinden. Dan kunnen we een antwoord vinden op een aantal verbazingwekkende en mysterieuze vragen waar de mensheid al eeuwen mee wordt geconfronteerd.

Waarom zijn we hier? Waarom bestaat ons universum? Hoe is Aarde gevormd en geëvolueerd? Hoe en waarom ontstond leven en bevolkte het onze planeet?

De tweede vraag waar we vaak over nadenken, is: Zijn we alleen? Is er daarbuiten ook nog leven? Wie is daar?

Deze vraag stellen we ons al duizenden jaren, minstens sinds de tijd van de Griekse filosofen. Maar ik kom jullie vertellen hoe dicht we al bij het antwoord op deze vraag komen. Het is de eerste keer dat dit echt binnen handbereik komt.

Als ik nadenk over de mogelijkheden op leven daarbuiten, denk ik aan het feit dat onze zon slechts een van de vele sterren is. Dit is een foto van een sterrenstelsel. We denken dat onze Melkweg op dit sterrenstelsel lijkt. Het is een verzameling gebonden sterren. Maar onze [zon] is een van de honderden miljarden sterren en onze Melkweg is een van meer dan honderden miljarden sterrenstelsels.

We weten dat kleine planeten zeer vaak voorkomen, reken maar na. Er zijn zo veel sterren en planeten dat er wel ergens leven moet zijn. Biologen worden hier kwaad over, want we hebben nog absoluut geen bewijs voor leven buiten Aarde. Als we van buitenaf naar onze Melkweg konden kijken en inzoomen op onze zon, konden we een echte sterrenkaart zien. De gemarkeerde sterren zijn die met bekende exoplaneten. Dit is nog maar het topje van de ijsberg.

Deze animatie zoomt in op ons zonnestelsel. Je ziet hier de planeten en ook een aantal ruimtevaartuigen in een baan om de zon. Stel je voor dat je naar de westkust van Noord-Amerika gaat en kijkt naar de nachtelijke hemel, dan zie je dit op een lentenacht. Je ziet de sterrenbeelden eroverheen gelegd en hopen sterren met planeten. Op een speciale plek zien we duizenden planeten. Daar werd de Kepler Ruimtetelescoop vele jaren op gericht.

Laten we inzoomen en kijken naar een van de favoriete exoplaneten. Deze ster heet Kepler-186f. Het is een systeem met ongeveer vijf planeten. Over de meeste van deze exoplaneten weten we nog niet veel. We kennen hun grootte, hun baan en dat soort dingen. Maar een bijzondere planeet van Kepler-186f bevindt zich in een zone niet te ver van de ster, met misschien wel de juiste temperatuur voor leven.

Hier zoomen we in op de weergave en tonen hoe die planeet er zou kunnen uitzien. Veel mensen hebben een nogal romantisch idee van astronomen die op een eenzame bergtop door een telescoop naar de spectaculaire nachtelijke hemel zitten te turen. Maar eigenlijk werken we net als iedereen gewoon op onze computers, en krijgen onze data via e-mail of downloaden ze van een database.

In plaats van het hier te hebben over de ietwat vervelende gegevens, data-analyse en complexe computermodellen, zal ik op een andere manier proberen uit te leggen hoe we denken over exoplaneten.

Hier is een reisposter voor Kepler-186f: waar het gras altijd roder is aan de andere kant. Dat komt omdat Kepler-186f rond een rode ster draait. We gokken dat de planten daar misschien, als er vegetatie is die aan fotosynthese doet, andere pigmenten hebben en rood lijken.

"Geniet van de zwaartekracht op HD 40307g, een super-Aarde." Deze planeet is massiever dan Aarde en heeft een grotere zwaartekracht. "Ontspan op Kepler-16b, waar je schaduw altijd gezelschap heeft." (Gelach)

We kennen een tiental planeten die rond twee sterren draaien, en er zijn er zeker nog veel meer van. Als we een van die planeten konden bezoeken, kon je twee zonsondergangen meemaken en twee schaduwen hebben. Science fiction kreeg op een aantal punten gelijk. Tatooine uit Star Wars.

Ik heb nog wat andere favoriete exoplaneten om over te vertellen. Dit is Kepler-10b, een erg hete planeet. Hij draait meer dan 50 keer dichter bij zijn ster dan onze Aarde om onze zon. Het is er zo heet dat, als we ernaartoe zouden gaan, we zouden smelten voordat we er aankwamen. We denken dat het oppervlak heet genoeg is om rots te smelten en dat er meren van vloeibare lava zijn.

Gliese 1214B. Van deze planeet kennen we de massa en de grootte en hij heeft een relatief lage dichtheid. Hij is een beetje warm. We weten er eigenlijk niet veel over, maar één mogelijkheid is dat het een waterwereld is, als een opgeschaalde versie van een van de ijzige manen van Jupiter. 50 procent van zijn massa zou water kunnen zijn. Dan zou hij een atmosfeer hebben van dichte stoom boven een oceaan, niet van vloeibaar water, maar van een exotische vorm van water, een supervloeistof: niet helemaal gas, niet helemaal vloeistof. En daaronder geen rots, maar een vorm van hogedrukijs, zoals ice IX.

Van al die planeten, en de verscheidenheid is gewoon verbazingwekkend, zoeken we vooral naar Goudlokje-planeten. Niet te groot, niet te klein, niet te warm, niet te koud - maar precies goed voor het leven. Maar daarvoor moeten we iets weten over de atmosfeer van de planeet, want de atmosfeer werkt als een deken die warmte vasthoudt - het broeikaseffect. We moeten broeikasgassen op andere planeten kunnen inschatten.

Soms sloeg Science fiction de bal eens mis. De Star Trek Enterprise moest enorme afstanden naar andere planeten aan ongelooflijke snelheden overbruggen zodat eerste officier Spock de atmosfeer zou kunnen analyseren om te zien of de planeet bewoonbaar was of dat er levensvormen waren.

We hoeven niet sneller dan het licht te reizen om de atmosfeer van andere planeten te zien, al wil ik geen ontluikende ingenieurs ontmoedigen om uit te zoeken hoe dat kan. We kunnen planeetatmosferen van hieruit, vanuit onze Aardbaan bestuderen.

Dit is een foto van de Hubble Ruimtetelescoop genomen door de shuttle Atlantis toen ze vertrok na de laatste bemande ruimtevlucht naar Hubble. Ze installeerden een nieuwe camera voor de studie van exoplaneet-atmosferen. We hebben al tientallen exoplaneet-atmosferen bestudeerd, een zestal in groot detail. Maar dat zijn geen kleine planeten zoals Aarde. Het zijn grote, hete planeten die makkelijk te zien zijn.

We zijn nog niet klaar, we hebben nog niet de juiste technologie om kleine exoplaneten te bestuderen. Maar niettemin wil ik toch uitleggen hoe we dat gaan doen.

Stel je een regenboog voor. Als je nauwlettend kijkt, kun je wat donkere lijnen zien. Hier is het witte licht van onze zon opgesplitst niet door regendruppels, maar door een spectrograaf. Je ziet al die donkere, verticale lijnen. Sommige zijn zeer smal, sommige breed, sommige vaag aan de randen. Zo hebben astronomen meer dan een eeuw lang objecten aan de hemel bestudeerd, letterlijk dan. Elk soort atoom en molecuul heeft een speciale set van lijnen, een vingerafdruk, zeg maar. Zo bestuderen we exoplaneet-atmosferen.

Ik vergeet nooit hoeveel mensen mij 20 jaar geleden, toen ik aan exoplaneet-atmosferen begon te werken, vertelden: "Dat gaat nooit lukken. Het is de moeite niet." Daarom ben ik zo blij om jullie erover te vertellen. Het is echt een apart studiegebied geworden. Als het gaat om andere planeten, andere Aardes, die we gaan observeren, naar welke gassen zoeken we dan?

Onze eigen Aarde heeft tot 20 volumeprocent zuurstof in de atmosfeer. Dat is veel zuurstof. Maar zonder planten en fotosynthetisch leven zou er vrijwel geen zuurstof in de atmosfeer zijn. Zuurstof komt van leven. Wij zoeken in atmosferen van andere planeten naar gassen, die er niet thuishoren, die we kunnen toeschrijven aan leven. Maar welke moleculen moeten we zoeken?

Ik vertelde hoe divers exoplaneten zijn. We verwachten dat dat zo blijft als we andere Aardes vinden. Dat is zowat het belangrijkste waar ik mee bezig ben. Ik heb er een theorie over. Dat doet me eraan denken dat ik bijna elke dag, e-mails ontvang van iemand met een knotsgekke theorie over de fysica van de zwaartekracht of kosmologie of iets dergelijks. Stuur me dus geen e-mail over een van je gekke theorieën. (Gelach)

Maar ik had mijn eigen gekke theorie. Maar bij wie kan een MIT-professor daarmee terecht? Ik mailde een Nobelprijswinnaar voor fysiologie of geneeskunde. Hij zei: "Tuurlijk, kom maar eens babbelen."

Ik bracht mijn twee biochemievrienden mee om te praten over onze gekke theorie. Die theorie was dat leven allerlei kleine moleculen produceert, hopen moleculen. Alles wat ik maar kon bedenken, maar ik ben geen chemicus. Denk er over na: kooldioxide, koolmonoxide, moleculaire waterstof, moleculaire stikstof, methaan, methylchloride - zoveel gassen. Ze zijn er ook om andere redenen, maar leven produceert zelfs ozon.

We gingen er met hem over praten, maar hij schoot de theorie onmiddellijk af. Hij vond een voorbeeld dat dat niet bestond. Wij terug naar af en we denken dat we iets heel interessants op een ander gebied hebben gevonden.

Terug naar de exoplaneten. Feit is dat het leven zoveel verschillende soorten gassen produceert, letterlijk duizenden. Nu proberen we te achterhalen op welke soorten exoplaneten welke gassen toegeschreven kunnen worden aan het leven. Als we gassen gaan vinden in exoplaneet-atmosferen weten we niet of ze geproduceerd worden door intelligente buitenaardse wezens of door bomen, een moeras, of zelfs alleen maar door eenvoudig, eencellig microbieel leven.

Aan het model werken en nadenken over de biochemie is allemaal goed en wel. Maar een echt grote uitdaging is hoe we die planeten gaan vinden. Er zijn inderdaad vele manieren om planeten te vinden, verschillende manieren. Maar waar ik het meest op gebrand ben, is een manier om in de toekomst honderden Aardes te kunnen vinden.

We hebben een echte kans om tekenen van leven te vinden. Ik ben net klaar met het leiden van een tweejarig project in deze zeer bijzondere fase van een concept dat we de 'starshade' noemen. De starshade is een zeer speciaal gevormd scherm. De starshade laten we zo vliegen dat hij het licht van een ster blokkeert zodat de telescoop de planeten direct kan zien.

Hier kunnen jullie mij en twee teamleden zien met een klein onderdeel van de starshade. Hij heeft de vorm van een gigantische bloem, en dit is een prototype van de bloemblaadjes. De bedoeling is dat een starshade en een telescoop samen worden gelanceerd, en de bloemblaadjes zich ontvouwen op de opstellingsplaats. De centrale houder ontvouwt zich en de bloemblaadjes klikken vast op hun plaats. Dit moet zeer nauwkeurig worden gemaakt. De blaadjes micrometer nauwkeurig en het ontplooien millimeter nauwkeurig.

Die hele structuur moet vliegen op tienduizenden kilometer van de telescoop. Met een diameter van tientallen meter. Het doel is het sterrenlicht ongelooflijk precies te blokkeren zodat we de planeten direct kunnen zien. Het moet een bijzondere vorm hebben vanwege de diffractiefysica.

Dit is een project waar we hard aan gewerkt hebben, echt hard. Om jullie een idee te geven van de werkelijke grootte is hier een echte foto van een tweede generatie starshade testopstelling in het lab. Ik wil erop wijzen dat de centrale houder gerecupereerd is van grote opvouwbare ruimte-radioantennes.

Na al dat harde werk waarbij we nadachten over alle mogelijke gekke gassen en het bouwen van erg ingewikkelde telescopen die de ruimte in konden, vragen we ons af wat we gaan vinden. In het beste geval krijgen we een beeld van een andere exo-Aarde.

Hier is Aarde als een bleekblauwe stip. Een echte foto van Aarde genomen door de Voyager 1 ruimtesonde op ruim 6 miljard kilometer afstand. Dat rode licht is gewoon door de camera-optiek verstrooid licht. Maar wat ik zo geweldig vind, is dat als er intelligente wezens op een planeet in een baan rond een ster in onze buurt zijn en ze ingewikkelde ruimtetelescopen bouwen van de soort die wij proberen bouwen, een bleekblauwe stip alles is wat ze zullen zien, een speldenprik van licht.

Als ik af en toe eens nadenk over mijn professionele strijd en grote ambitie, is het moeilijk om erover na te denken in contrast met de uitgestrektheid van het universum. Maar toch wijd ik de rest van mijn leven aan het vinden van een andere Aarde.

Ik kan garanderen dat we met de volgende generatie van ruimtetelescopen, de tweede generatie, andere Aardes kunnen vinden en identificeren. De mogelijkheid om sterrenlicht te splitsen zodat we gassen kunnen zoeken en de uitstoot van broeikasgassen beoordelen in de atmosfeer, de oppervlaktetemperatuur schatten en zoeken naar tekenen van leven.

Maar er is meer. Bij het zoeken naar andere planeten zoals Aarde, maken we een nieuw soort kaart van de nabijgelegen sterren en de planeten eromheen. ook van de sterren die voor de mens onbewoonbaar zouden kunnen zijn. Ik stel me voor dat onze nakomelingen, binnen honderden jaren, een interstellaire reis naar andere werelden gaan maken. Ze zullen op ons allemaal terugkijken als de generatie die voor het eerst Aarde-achtige werelden vond. Dankjewel.

(Applaus)

June Cohen: Rosetta Missie Manager Fred Jansen wil je iets vragen.

Fred Jansen: Halfweg je talk zei je dat de technologie om naar het spectrum van een exoplaneet zoals Aarde te kijken er nog niet is. Wanneer verwacht je dat die er zal zijn en wat is ervoor nodig?

SS: Eigenlijk verwachten we onze volgende generatie Hubble Telescoop: de James Webb Ruimtetelescoop. Hij gaat in 2018 de ruimte in. We gaan kijken naar een speciaal soort planeten, de zogenaamde transiënte exoplaneten. Het zal de eerste keer zijn dat we kleine planeten kunnen onderzoeken op gassen die erop kunnen wijzen dat de planeet bewoonbaar is.

JC: Sara, ik ga je als leek ook nog een vraag stellen. Ik ben echt getroffen door de tegenwerking waarmee je werd geconfronteerd, toen je met exoplaneten begon. Er was extreme scepsis over hun bestaan, en jij toonde hun ongelijk aan. Waarom ging je toch door?

SS: Als wetenschappers worden we verondersteld sceptisch te zijn. We moeten nagaan of wat een ander zegt zinvol is of niet. Maar wetenschapper zijn, zoals je hebt gezien in deze sessie, is ook een beetje ontdekkingsreiziger zijn. Je hebt een immense nieuwsgierigheid, een koppigheid, een wil om door te gaan, ongeacht wat andere mensen zeggen.

JC: Daar hou ik van. Dank je wel, Sara."

(Applaus)

 

Bron: TED.com