Op zoek naar buitenaards leven: de zoektocht naar leefbare atmosferen buiten ons zonnestelsel
Zoeken naar atmosferen rondom planeten buiten ons zonnestelsel is zoeken naar buitenaards leven. Sterrenkundige Sebastian Zieba gebruikte data van de James Webb Space Telescope om kleine rotsachtige exoplaneten te bestuderen, maar vond nog geen buitenaardse wezens. Toch zijn zijn bevindingen erg interessant voor toekomstige waarnemingen. Zieba promoveerde 25 juni cum laude.
‘De heilige graal is altijd om sporen van leven te vinden’, zegt Sebastian Zieba, betrokken bij Sterrewacht Leiden en het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) in Heidelberg. ‘Maar we kunnen nog niet direct een vorm van leven detecteren.’ We moeten erachter zien te komen welke planeten, naast de aarde, goede gastheren zijn voor een atmosfeer, en dus voor leven. Dat is wat Sebastians onderzoek inhoudt: het zoeken naar atmosferen rondom rotsachtige exoplaneten. Dat zijn planeten buiten ons zonnestelsel die kleiner zijn dan twee keer de straal van de aarde en die vooral bestaan uit gesteente.
Echt heel hete planeet
Om een mogelijke atmosfeer rondom een exoplaneet te detecteren, zou je de temperatuur van de planeet kunnen meten. Dit geeft enig inzicht in het klimaat en de verdeling van warmte. Zieba gebruikte deze techniek tijdens het observeren van K2-141 b, een lavaplaneet die ongelooflijk dicht bij de ster staat waar hij omheen draait (zoals de aarde om de zon draait). Door de grote zwaartekracht tussen de planeet en de ster toont deze planeet altijd dezelfde kant aan de ster. Hierdoor is de ene kant volledig gesmolten door de hitte en de andere kant erg koud. Door de extreme temperaturen begint gesteente te verdampen, waardoor er een dampatmosfeer van rots kan ontstaan. Daarom wilde Zieba deze planeet bestuderen.
‘De vraag die we probeerden te beantwoorden was: is de planeet echt heet of iets kouder dan echt heet?’
Een atmosfeer zou de warmte van de hete naar de koude kant herverdelen, waardoor het 's nachts iets minder koud is en overdag iets minder heet. Zieba: ‘De vraag die we probeerden te beantwoorden was: is de planeet echt heet of iets kouder dan echt heet?’ Zieba's bevindingen hinten op de aanwezigheid van een atmosfeer van verdampt gesteente. Nieuwe data van de James Webb Space Telescope (JWST) moeten meer inzicht geven in dit soort exoplaneten.
Venusachtige planeet is kaal rotsblok
Je kunt ook het licht dat gas uitzendt (emissiespectra) bestuderen op zoek naar moleculen die wijzen op de aanwezigheid van een atmosfeer. Zieba observeerde de spectra van TRAPPIST-1 c, een rotsachtige exoplaneet die veel op Venus lijkt. ‘Dat motiveerde ons om te denken dat de atmosfeer ook vergelijkbaar zou zijn.’ Hij zocht naar sporen van CO₂ (koolstofdioxide). Waarom CO₂? ‘CO₂ is overal. Elke activiteit op een planeet, zoals vulkanisme, veroorzaakt een hoeveelheid CO₂. Dus als er een atmosfeer is, zou je verwachten een bepaalde hoeveelheid CO₂ te meten. Maar we hebben geen CO₂ gevonden op deze planeet.’ TRAPPIST-1 c is waarschijnlijk een kale rotsplaneet en lijkt in niets op Venus met haar dikke CO₂-rijke atmosfeer.
Werken met JWST-data
Zieba begon zijn observaties met Spitzer, een andere infraroodtelescoop, maar tijdens zijn promotieonderzoek kon hij data van de James Webb Space Telescope (JWST) gaan gebruiken. ‘Ik voel me vereerd dat ik tot de eerste generatie promovendi behoor die met de JWST mag werken.’
Betere telescopen zouden verder onderzoek naar de atmosferen van exoplaneten mogelijk kunnen maken. ‘Het zou geweldig zijn om tien JWST's te lanceren en ze dan aan elkaar te lijmen, zegt hij gekscherend. Zieba kijkt ernaar uit om ook in de toekomst met JWST te werken, evenals met enkele andere projecten die momenteel in aanbouw zijn (Extremely Large Telescope in Chili) of in de ontwerpfase zitten (Habitable Worlds Observatory en de LIFE space mission).
Er valt altijd wat te leren
Ondanks het feit dat er geen atmosfeer is waargenomen rond een van de bestudeerde exoplaneten, is Zieba's onderzoek toch waardevol. ‘Als je een bepaald kenmerk van een object, zoals een atmosfeer, niet detecteert, is het mogelijk dat het niet bestaat, maar het kan ook komen door extra ruis, van de ster of van je instrument. Je zult altijd meer leren voor toekomstige waarnemingen, zelfs als we geen atmosfeer of een ander teken van leven vinden.’
Grote stap voorwaarts
Laura Kreidberg, Zieba's begeleider en directeur bij MPIA, zegt over zijn werk: ‘Het is een grote stap voorwaarts in ons begrip van rotsachtige exoplaneten. Zijn bevinding over de atmosfeer van TRAPPIST-1 c is de eerste indicatie voor de mogelijke verscheidenheid in de atmosferen van kleine werelden buiten het zonnestelsel.’ Ignas Snellen, wetenschappelijk directeur van de Sterrewacht Leiden en tweede promotor van Zieba voegt daaraan toe: ‘Hij heeft met het bestuderen van rotsachtige exoplaneten een van de belangrijkste resultaten in ons vakgebied van de afgelopen jaren behaald.’
Sebastian Zieba promoveerde 25 juni cum laude op het proefschrift ‘Pushing the Characterization of Exoplanet Atmospheres Down to Temperate Rocky Planets in the Era of JWST’