De ingrediënten voor het leven zijn verspreid over het heelal. Hoewel de aarde de enige bekende plaats in het universum is waar leven is, is het detecteren van leven buiten de aarde een belangrijk doel van de moderne astronomie en planetaire wetenschap.

Wij zijn twee wetenschappers die exoplaneten en astrobiologie bestuderen. Voor een groot deel dankzij telescopen van de volgende generatie zoals James Webb, zullen onderzoekers zoals wij binnenkort in staat zijn om de chemische samenstelling van atmosferen van planeten rond andere sterren te meten. De hoop is dat een of meer van deze planeten een chemische handtekening van leven zullen hebben.

Bewoonbare exoplaneten

Er kan leven bestaan ​​in het zonnestelsel waar vloeibaar water is, zoals de ondergrondse watervoerende lagen op Mars of in de oceanen van Jupiters maan Europa. Het zoeken naar leven op deze plaatsen is echter ongelooflijk moeilijk, omdat ze moeilijk te bereiken zijn en voor het detecteren van leven een sonde zou moeten worden gestuurd om fysieke monsters terug te sturen.

Veel astronomen denken dat er een goede kans is dat er leven bestaat op planeten die om andere sterren draaien, en het is mogelijk dat daar het leven voor het eerst wordt gevonden.

Theoretische berekeningen suggereren dat er alleen al in het Melkwegstelsel ongeveer 300 miljoen potentieel bewoonbare planeten zijn en verschillende bewoonbare planeten ter grootte van de aarde binnen slechts 30 lichtjaar van de aarde - in wezen de galactische buren van de mensheid. Tot nu toe hebben astronomen meer dan 5.000 exoplaneten ontdekt, waaronder honderden potentieel bewoonbare, met behulp van indirecte methoden die meten hoe een planeet zijn nabije ster beïnvloedt. Deze metingen kunnen astronomen informatie geven over de massa en grootte van een exoplaneet, maar niet veel anders.

Op zoek naar biohandtekeningen

Om leven op een verre planeet te detecteren, zullen astrobiologen sterrenlicht bestuderen dat interactie heeft gehad met het oppervlak of de atmosfeer van een planeet. Als de atmosfeer of het oppervlak door het leven is getransformeerd, kan het licht een aanwijzing bevatten, een zogenaamde 'biosignatuur'.

Gedurende de eerste helft van haar bestaan ​​had de aarde een atmosfeer zonder zuurstof, ook al herbergde het eenvoudig eencellig leven. De biosignatuur van de aarde was in dit vroege tijdperk erg zwak. Dat veranderde abrupt 2,4 miljard jaar geleden toen een nieuwe familie van algen zich ontwikkelde. De algen gebruikten een proces van fotosynthese dat vrije zuurstof produceert - zuurstof die niet chemisch gebonden is aan enig ander element. Vanaf die tijd heeft de met zuurstof gevulde atmosfeer van de aarde een sterke en gemakkelijk detecteerbare biosignatuur achtergelaten op het licht dat er doorheen gaat.

Wanneer licht van het oppervlak van een materiaal weerkaatst of door een gas gaat, is de kans groter dat bepaalde golflengten van het licht in het gas of het oppervlak van het materiaal gevangen blijven dan andere. Dit selectieve vangen van golflengten van licht is de reden waarom objecten verschillende kleuren hebben. De bladeren zijn groen omdat chlorofyl bijzonder goed is in het absorberen van licht in de rode en blauwe golflengten. Als licht een blad raakt, worden de rode en blauwe golflengten geabsorbeerd, waardoor het meeste groen licht terugkaatst in je ogen.

Het patroon van ontbrekend licht wordt bepaald door de specifieke samenstelling van het materiaal waarmee het licht interageert. Hierdoor kunnen astronomen iets leren over de samenstelling van de atmosfeer of het oppervlak van een exoplaneet door in wezen de specifieke kleur van het licht te meten dat van een planeet komt.

Deze methode kan worden gebruikt om de aanwezigheid van bepaalde atmosferische gassen te herkennen die met het leven worden geassocieerd, zoals zuurstof of methaan, omdat deze gassen zeer specifieke handtekeningen in het licht achterlaten. Het kan ook worden gebruikt om eigenaardige kleuren op het oppervlak van een planeet te detecteren. Op aarde vangen bijvoorbeeld het chlorofyl en andere pigmenten die planten en algen gebruiken voor fotosynthese specifieke golflengten van licht op. Deze pigmenten produceren karakteristieke kleuren die kunnen worden gedetecteerd met behulp van een gevoelige infraroodcamera. Als je deze kleur zou zien weerkaatsen op het oppervlak van een verre planeet, zou dit mogelijk duiden op de aanwezigheid van chlorofyl.

Telescopen in de ruimte en op aarde

Er is een ongelooflijk krachtige telescoop voor nodig om deze subtiele veranderingen in het licht van een potentieel bewoonbare exoplaneet te detecteren. Voorlopig is de enige telescoop die tot zo'n prestatie in staat is de nieuwe James Webb Space Telescope. Toen het in juli 2022 met wetenschappelijke operaties begon, nam James Webb een lezing van het spectrum van de gasreus exoplaneet WASP-96b. Het spectrum toonde de aanwezigheid van water en wolken, maar op een planeet zo groot en heet als WASP-96b is waarschijnlijk geen leven te vinden.

Deze vroege gegevens tonen echter aan dat James Webb in staat is zwakke chemische handtekeningen te detecteren in licht afkomstig van exoplaneten. In de komende maanden zal Webb zijn spiegels richten op TRAPPIST-1e, een potentieel bewoonbare planeet ter grootte van de aarde op slechts 39 lichtjaar van de aarde.

Webb kan biosignaturen zoeken door planeten te bestuderen terwijl ze voor hun gastheersterren passeren en sterlicht op te vangen dat door de atmosfeer van de planeet filtert. Maar Webb is niet ontworpen om naar leven te zoeken, dus de telescoop kan slechts enkele van de dichtstbijzijnde potentieel bewoonbare werelden onderzoeken. Het kan ook alleen veranderingen in atmosferische niveaus van koolstofdioxide, methaan en waterdamp detecteren. Hoewel bepaalde combinaties van deze gassen op leven kunnen wijzen, is Webb niet in staat om de aanwezigheid van niet-gebonden zuurstof te detecteren, wat het sterkste signaal voor leven is.

Toonaangevende concepten voor toekomstige, nog krachtigere ruimtetelescopen omvatten plannen om het heldere licht van de moederster van een planeet te blokkeren om het door de planeet teruggekaatste sterlicht te onthullen. Dit idee is vergelijkbaar met het gebruik van je hand om zonlicht te blokkeren om iets in de verte beter te kunnen zien. Toekomstige ruimtetelescopen zouden hiervoor kleine, interne maskers of grote, externe, paraplu-achtige ruimtevaartuigen kunnen gebruiken. Als het sterrenlicht eenmaal is geblokkeerd, wordt het veel gemakkelijker om licht te bestuderen dat van een planeet weerkaatst.

Er zijn momenteel ook drie enorme telescopen op de grond in aanbouw die naar biosignaturen kunnen zoeken:de Giant Magellen Telescope, de Thirty Meter Telescope en de European Extremely Large Telescope. Elk is veel krachtiger dan de bestaande telescopen op aarde, en ondanks de handicap dat de atmosfeer van de aarde het sterrenlicht vervormt, kunnen deze telescopen mogelijk de atmosfeer van de dichtstbijzijnde werelden op zoek naar zuurstof.

Is het biologie of geologie?

Zelfs met de krachtigste telescopen van de komende decennia zullen astrobiologen alleen sterke biosignaturen kunnen detecteren die worden geproduceerd door werelden die volledig zijn getransformeerd door het leven.

Helaas kunnen de meeste gassen die vrijkomen door het aardse leven ook worden geproduceerd door niet-biologische processen - koeien en vulkanen geven beide methaan af. Fotosynthese produceert zuurstof, maar zonlicht ook wanneer het watermoleculen splitst in zuurstof en waterstof. Er is een goede kans dat astronomen enkele valse positieven zullen detecteren wanneer ze op zoek zijn naar leven in de verte. Om valse positieven uit te sluiten, moeten astronomen een interessante planeet goed genoeg begrijpen om te begrijpen of de geologische of atmosferische processen een biosignatuur kunnen nabootsen.

De volgende generatie exoplaneetstudies heeft het potentieel om de lat van het buitengewone bewijs dat nodig is om het bestaan ​​van leven te bewijzen, te doorbreken. De eerste gegevensrelease van de James Webb Space Telescope geeft ons een idee van de opwindende vooruitgang die binnenkort zal plaatsvinden. + Verder verkennen

Webb onthult in detail stomende atmosfeer van verre planeet

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.