De zeevarende ontdekkingsreizigers van de 16e eeuw vonden op beroemde wijze veel nieuwe huizen voor de mensheid in het verre, onbekende uithoeken van de wereld. Hoewel het lijkt alsof een dergelijke kolonisatie sindsdien tot stilstand is gekomen, sommigen hebben beweerd dat het slechts een kwestie van tijd is voordat mensen naar "exoplaneten" in vreemde sterrenstelsels gaan. Maar hoe dicht zijn we bij zo'n uitbreiding?

Dat is wat wetenschappers Danielle George en Stephen Hawking wilden onderzoeken in een nieuw tv-programma, De zoektocht naar een nieuwe aarde, op BBC2. Het programma, die op 11 september van start gaat, zal de nieuwste inspanningen presenteren om deze aardachtige exoplaneten te vinden en te overwegen wat er voor nodig is om ze in de toekomst te koloniseren.

Exoplaneten zijn erg klein in vergelijking met de sterren waar ze omheen draaien en meestal erg ver weg - wat betekent dat we ze niet echt kunnen zien met telescopen. Ondanks dit, wetenschappers hebben al ongeveer 3, 600 bevestigde exoplaneten en nog eens 2, 400 kandidaten. Echter, we zijn niet in staat om zelfs maar eenvoudige afbeeldingen van de overgrote meerderheid van hen te maken, omdat hun zwakke signaal meestal wordt overstemd door hun veel helderdere gastheerster. Dus hoe kunnen we beoordelen hoe bewoonbaar een exoplaneet is als we hem misschien niet eens kunnen zien met onze grootste telescopen?

De meeste exoplaneten zijn gevonden met de transitmethode, die dips in de helderheid van een ster meet als een planeet voor zijn moederster beweegt. Dit stelt ons in staat om de straal van de planeet en de periode van zijn baan te schatten.

De eigenschappen van de gaststerren zelf zijn meestal goed bekend, wat betekent dat eenvoudige natuurkunde ons kan helpen uit te rekenen hoe ver de planeten van hun sterren verwijderd zijn op basis van hun banen. Hieruit krijgen we een goede schatting van de temperatuur van de planeet, ten minste op de top van zijn atmosfeer.

De aantrekkingskracht van de planeet op zijn gastheer kan ook worden gemeten door te zoeken naar een Doppler-verschuiving in het licht van de gastheerster. Het Doppler-effect beschrijft de verandering in de waargenomen frequentie van een golf wanneer er relatieve beweging is tussen de golfbron en de waarnemer. Wanneer dit wordt gemeten voor een transiterende planeet, geeft dit ons een nauwkeurige meting van de massa van de planeet.

Gewapend met zowel de massa als de straal van de planeet zijn we dan in staat om de gemiddelde dichtheid en oppervlaktezwaartekracht te bepalen. De gemiddelde dichtheid kan ons helpen beslissen of de planeet waarschijnlijk een gasbal is zoals Jupiter of een dichtere rotsachtige wereld zoals de aarde. De zwaartekracht aan het oppervlak vertelt ons of de planeet een atmosfeer kan vasthouden en of de atmosfeer waarschijnlijk te dun of te dicht is voor ons comfort.

Dat is veel informatie. Maar het wordt beter. We beginnen nu de chemische samenstelling van een aantal atmosferen van exoplaneten te meten. Terwijl planeten op doorreis zijn, hun atmosfeer wordt verlicht door de ster. Op aarde, het proces van "Rayleigh-verstrooiing" zorgt ervoor dat onze lucht blauw lijkt omdat blauw zonlicht veel sterker wordt verstrooid dan rood licht. Als buitenaardse wezens de aarde in transit tegen de zon zouden zien, zouden ze zien dat onze achtergrondverlichte atmosfeer blauw licht meer blokkeert dan rood, wat betekent dat ze zouden weten dat de aarde een blauwe lucht heeft.

Dezelfde basistechniek kan ook gebruikt worden om lichtabsorberende moleculen zoals water, methaan, zuurstof, ozon of lachgas. In principe, met instrumenten die gevoeliger zijn dan de onze, buitenaardse wezens zouden handtekeningen zien van door de mens gemaakte luchtverontreinigende stoffen. Ze zouden dan kunnen concluderen dat de aarde een geavanceerde beschaving kan herbergen.

Nieuwe vensters op het universum

Moleculen waaronder water, methaan en zuurstof zijn tot nu toe gedetecteerd in meer dan 40 bevestigde exoplaneten en de lijst zal zeer binnenkort dramatisch groeien met de lanceringen volgend jaar van NASA's TESS-missie en JWST, de opvolger van de Hubble-ruimtetelescoop. Deze zullen in het komende decennium worden gevolgd door de PLATO-missie van de European Space Agency en mogelijk de planeetkarakteriseringsmissie Ariel.

In de tussentijd, op de grond, de European Southern Observatory bouwt de Extremely Large Telescope. Deze zal tien keer meer sterlicht kunnen opvangen dan enige eerdere optische telescoop en zal in staat zijn om de atmosferen van nabije aardachtige planeten in ongekend detail te onderzoeken.

Deze faciliteiten zullen ons in staat stellen op zoek te gaan naar moleculen die indicatief zijn voor biologische activiteit (biomarkersignaturen) op nabije planeten. Voorbeelden van handtekeningen voor biomarkers zijn onder meer een sterke overvloed aan combinaties van moleculen zoals zuurstof en methaan, die op korte tijd met elkaar reageren. Op aarde wordt hun overvloed voortdurend aangevuld door levende organismen.

Er zijn natuurlijk veel andere factoren naast de kenmerken van de massa van de planeet die een cruciale bijdrage leveren aan het succes van het geëvolueerde leven hier op aarde. De waarheid is dat onze afstammelingen niet zeker weten of ze Earth-2 hebben gevonden, totdat ze proberen erop te leven. Dus, terwijl we geen lege kaart zouden overhandigen aan onze dappere ruimteverkenners van de toekomst, we zijn nog lang niet in staat om hen een bewoonbare accommodatie te garanderen.

Onmogelijke reis?

En, laten we duidelijk zijn, de lange reistijd zelfs naar onze dichtstbijzijnde exoplaneetbuur, Proxima b, betekent dat het absoluut een enkeltje is. Inderdaad, met de huidige technologie, deze reis zou tienduizenden jaren duren.

De alternatieven die ons in staat zouden stellen om binnen een enkel mensenleven te reizen, omvatten het beheersen van technologie met bijna lichtsnelheid. Hiervoor zijn ambitieuze plannen in de maak. Een andere benadering zou zijn om betrouwbare menselijke winterslaaptechnieken op lange termijn te ontwikkelen.

Tijdens hun reis moeten de astronauten zich ook beschermen tegen potentieel dodelijke doses kosmische straling. Ze moeten ook spier- en skeletverlies voorkomen, en omgaan met de psychologische eisen van jarenlang opgesloten zitten in een groot blik. Op hun bestemming, ze zullen zich ook moeten aanpassen aan het leven als buitenaards wezen zonder de voordelen van evolutionaire aanpassing die we op aarde genieten. Dit is waarschijnlijk de grootste uitdaging van allemaal.

Alles bij elkaar genomen, het is een lange reis voor een man, een gigantische worp van de dobbelstenen voor de mensheid.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.