Vier manieren om hints van buitenaards leven te ontdekken met

Vier manieren om hints van buitenaards leven te ontdekken met de James Webb ruimtetelescoop

Een artist's impression van planeet Gliese 667 Cc bij zonsondergang. ESO/L. Calçada, CC BY

De studie van exoplaneten, werelden die rond andere sterren dan onze zon draaien, wordt momenteel getransformeerd door de nieuwe James Webb Space Telescope (JWST). Binnenkort krijgen we voor het eerst inzicht in de omstandigheden op rotsachtige, mogelijk aardachtige werelden buiten ons zonnestelsel. Een van deze verre werelden zou leven kunnen herbergen. Maar kunnen we het detecteren?

Misschien kunnen we tekenen van leven ontdekken in de samenstelling van de atmosfeer van de planeet. We kunnen een techniek gebruiken die transmissiespectroscopie heet – waarbij licht wordt opgedeeld in golflengten – om te zoeken naar sporen van verschillende gassen in sterlicht als het door de atmosfeer van een planeet gaat.

Sommige sterrenlichtabsorberende gassen kunnen wijzen op de aanwezigheid van leven op de planeet. Wij noemen dit biosignaturen.

1. Zuurstof en ozon

Zuurstof is waarschijnlijk de meest voor de hand liggende biosignatuur. Planten maken het, wij ademen het in en het gesteente laat zien dat de niveaus in de atmosfeer van de aarde drastisch veranderden naarmate het leven zich ontwikkelde. De zuurstof die wij inademen is O2, twee aan elkaar geplakte zuurstofatomen. Maar een andere configuratie van zuurstof, O3 of ozon, kan ook worden waargenomen met JWST.

Dus, als we een of beide gassen zouden waarnemen, zou het dan gedaan zijn? Helaas niet. Een ander scenario dat grote hoeveelheden zuurstof in de atmosfeer zou kunnen produceren is een planeet die een “op hol geslagen broeikaseffect” ondergaat. Zodra een planeet heet genoeg is om zijn wateroceaan te laten verdampen, draagt de resulterende waterdamp in de atmosfeer bij tot een broeikaseffect – waarbij de planeet wordt oververhit tot niveaus die niet verenigbaar zijn met leven – in een terugkoppelingslus.

Uiteindelijk wordt de planeet heet genoeg voor watermoleculen om uiteen te vallen in waterstof en zuurstof. Waterstofmoleculen zijn licht en bewegen snel genoeg om gemakkelijk aan de zwaartekracht van de planeet te ontsnappen, terwijl de tragere zuurstof de neiging heeft te blijven hangen, klaar om ontdekt te worden en argeloze astronomen te misleiden.

2. Fosfine en ammoniak

De huidige focus van de zoektocht naar leven ligt misschien vooral op exoplaneten, maar er zijn ook recente ontwikkelingen dichter bij huis. Fosfine – een gas dat van nature voorkomt in door waterstof gedomineerde atmosferen zoals die van gasreuzen Jupiter en Saturnus – werd onlangs ontdekt in de atmosfeer van Venus. Interessant genoeg wordt fosfine beschouwd als een potentiële biosignatuur.

Op aarde wordt fosfine geproduceerd door micro-organismen, bijvoorbeeld in het darmkanaal van dieren. Als er geen leven aanwezig is, zouden we niet verwachten dat fosfine in grote hoeveelheden voorkomt in Venus-achtige atmosferen, die gedomineerd worden door kooldioxide. Toch kunnen we andere bronnen van fosfine op Venus nog niet uitsluiten.

Stinkende ammoniak is een ander potentieel biosignatuurgas, ook geproduceerd door dieren op Aarde. Net als fosfine komt het veel voor op gasreuzen, maar wordt niet verwacht op rotsachtige werelden in afwezigheid van leven.

Het opsporen van fosfine of ammoniak in de atmosfeer van een verre exoplaneet is echter waarschijnlijk een uitdaging. Beide bereiken kleine concentraties van slechts enkele delen per miljard op aarde. Dus tenzij onze potentiële buitenaardse wezens veel stinkender zijn dan de dieren op aarde, zullen we ze waarschijnlijk niet snel ontdekken.

3. Methaan plus koolstofdioxide

Individuele gassen die ondubbelzinnige biosignaturen zijn, zijn schaars, dus kunnen we beter op zoek gaan naar een winnende combinatie als we leven willen detecteren. Grote hoeveelheden methaan, geproduceerd door schetende dieren op aarde, plus koolstofdioxide zou een goede aanwijzing zijn dat er iets aan de hand is.

Als er genoeg zuurstof beschikbaar is, dan hangt koolstof veel liever samen met zuurstof als kooldioxide (CO2, één koolstofatoom en twee zuurstofatomen), dan dat het methaan vormt (CH4, één koolstofatoom en vier waterstofatomen). In een zuurstofrijke omgeving dumpt elke koolstof die zich in een methaanmolecuul bevindt snel zijn waterstofmaatjes ten gunste van een paar extra zuurstofatomen.

Spotprent met een koolstofatoom dat vier waterstofatomen verlaat en op weg gaat naar een paar zuurstofatomen, en 'Dag!' zegt bij zijn vertrek.

Als het beschikbaar is, verkiest koolstof het gezelschap van zuurstof.
Eigen werk van de auteur.

Dus het zien van veel methaan en kooldioxide naast elkaar zou suggereren dat iets – misschien bacteriën – voortdurend methaan produceert.

4. Chemische onevenwichtigheden

We kunnen bovenstaand argument toepassen op elke combinatie van gassen die niet gelukkig naast elkaar zouden moeten bestaan. Het leven verstoort het chemisch evenwicht van zijn omgeving omdat het chemische reacties gebruikt om energie op te wekken.

Op aarde wordt zuurstof omgezet in kooldioxide, maar in een ander soort atmosfeer, met andere beschikbare chemicaliën, zou het leven andere processen gebruiken om hetzelfde doel te bereiken. Methaan producerende bacteriën die leven rond hydrothermale bronnen diep in de oceanen van de Aarde, bijvoorbeeld, oogsten chemische energie uit mineralen en chemische verbindingen. Door te zoeken naar onevenwichtigheden kunnen we openstaan voor hoe leven elders eruit zou kunnen zien.

Wat gebeurt er als we signalen van buitenaards leven tegenkomen?

JWST overtreft nu al onze verwachtingen voor waarnemingen aan de atmosfeer van exoplaneten. Maar hoe krachtig hij ook is, rotsachtige planeten met milde temperaturen en een atmosfeer die gedomineerd wordt door stikstof of kooldioxide blijven een uitdaging om te bestuderen met transmissiespectroscopie. De signalen die we van deze planeten verwachten, zijn veel zwakker dan de signalen die we met succes hebben waargenomen in atmosferen van hete gasreuzen.

Als we het geluk hebben om sterlichtabsorberende gassen in de atmosfeer van een rotsachtige exoplaneet waar te nemen – TRAPPIST-1e bijvoorbeeld – moeten we nog steeds meten hoeveel van deze gassen aanwezig zijn om zinvolle conclusies te kunnen trekken. Dat is niet eenvoudig, want de signalen kunnen elkaar overlappen en moeten zorgvuldig worden ontward.

Zelfs als we een van onze mogelijke biosignatuurgassen ontdekken en nauwkeurig meten, denk ik niet dat we kunnen beweren dat we buitenaards leven hebben ontdekt. JWST opent nog maar net een nieuw, rijk laboratorium van planeetatmosferen, en als we die onderzoeken zullen we ongetwijfeld ontdekken dat veel van onze eerdere veronderstellingen onjuist blijken te zijn.

Elke keer dat we iets ongewoons vinden, is het voorbarig om conclusies te trekken over aliens. Een JWST biosignatuur detectie zou een interessante hint zijn, met de belofte van veel meer werk. Voor mij als astronoom is dat spannend genoeg.

The Conversation

Joanna Barstow ontvangt financiering van de Science and Technology Faciliites Council. Zij is raadslid en trustee van de Royal Astronomical Society.