NASA-studie: planeten met oceanen, en dus mogelijk leven, komen waarschijnlijk veel voor in de Melkweg

Een aantal jaar geleden begon NASA-onderzoekster Lynnae Quick zich af te vragen of sommige van de meer dan 4.000 bekende exoplaneten - planeten buiten ons zonnestelsel - zouden kunnen lijken op de waterrijke manen van de planeten Jupiter en Saturnus.

Hoewel sommige van die manen geen atmosfeer hebben en bedekt zijn met ijs, behoren ze toch steeds nog tot de plaatsen waarop de zoektocht naar buitenaards leven van de NASA zich toespitst. De maan van Saturnus Enceladus en de Jupiter-maan Europa, die wetenschappers klasseren als 'oceaanwerelden', zijn daar goede voorbeelden van. 

"Uit Europa en Enceladus schieten pluimen van water omhoog, dus we weten dat deze hemellichamen onder hun ijskorst ondergrondse oceanen hebben, en dat ze energie hebben die de pluimen veroorzaakt, wat twee voorwaarden zijn voor leven zoals we het kennen", zei Quick, een planetair onderzoekster die gespecialiseerd is in vulkanisme en oceaanwerelden. "Dus als we ervan uitgaan dat deze manen mogelijk leven kunnen bevatten, dan is dat mogelijk ook het geval op grotere versies ervan in andere planetaire systemen." 

Quick, die werkt aan het Goddard Space Flight Center van de NASA in Greenbelt, Maryland, besloot te onderzoeken of er - hypothetisch -  planeten bestaan in ons melkwegstelsel die lijken op Europa en Enceladus. En of die ook geologisch voldoende actief zouden kunnen zijn om pluimen, door hun oppervlak te schieten, pluimen die in de toekomst waargenomen zouden kunnen worden door telescopen. 

Uit een wiskundige analyse van tientallen exoplaneten, waaronder ook planeten uit het nabijgelegen TRAPPIST-1-systeem, kwamen Quick en haar collega's iets betekenisvol te weten: meer dan een kwart van de exoplaneten die ze bestudeerden zouden oceaanwerelden kunnen zijn. De meeste daarvan leken mogelijk op Europa en Enceladus, met oceanen verborgen onder lagen ijs aan het oppervlak. Bovendien zouden veel van deze planeten meer energie kunnen vrijgeven dan Europa en Enceladus. 

Mogelijk kunnen wetenschappers in de  toekomst de voorspellingen van Quick testen door de hitte te meten die een exoplaneet vrijgeeft of door vulkanische of cryovulkanische - met vloeistof of damp in plaats van gesmolten rotsen - uitbarstingen waar te nemen in de golflengten van het licht die uitgestraald worden door moleculen in de atmosfeer van een planeet. 

Momenteel kunnen wetenschappers geen details zien van exoplaneten omdat die helaas te ver weg staan en overschaduwd - in feite overbelicht - worden door het licht van hun sterren. Maar door de enige informatie te bekijken die we ter beschikking hebben - de grootte van exoplaneten, hun massa en de afstand tussen de planeet en de ster - kunnen wetenschappers als Quick en haar collega's onze kennis van het zonnestelsel en wiskundige modellen gebruiken om te proberen zich de omstandigheden voor te stellen die een exoplaneet al dan niet leefbaar zouden kunnen maken.   

Hoewel de aannames in deze wiskundige modellen niet meer zijn dan onderbouwde inschattingen, kunnen de resultaten wel helpen de lijst korter te maken van exoplaneten die in aanmerking komen voor de zoektocht naar omstandigheden die gunstig zijn voor het ontstaan van leven. In de toekomst kunnen de James Webb Space Telescope van de NASA of andere missies daar dan op voortwerken. 

"Toekomstige missies om naar sporen van leven buiten ons zonnestelsel te zoeken, zijn toegespitst op planeten als de onze met een wereldwijde biosfeer die zo overvloedig is dat hij de chemische samenstelling van de hele atmosfeer verandert", zei Aki Roberge, een astrofysicus bij Goddard die samengewerkt heeft met Quick aan deze analyse. "Maar in het zonnestelsel hebben ook ijzige manen met oceanen, die ver van de hitte van de zon afstaan, getoond dat ze de kenmerken vertonen waarvan we denken dat ze nodig zijn voor leven." 

Voor hun zoektocht naar oceaanwerelden selecteerde het team van Quick 53 exoplaneten waarvan de grootte het meest geleek op die van de aarde, al konden ze wel een massa hebben die tot 8 keer groter was. Wetenschappers nemen aan dat planeten van deze grootte eerder vast zijn dan gasachtig en dat bijgevolg de kans groter is dat er vloeibaar water op of onder hun oppervlak aanwezig is.

Overigens zijn er sinds het team de studie opstartte in 2017, nog minstens 30 bijkomende exoplaneten ontdekt die aan deze parameters voldoen, maar die zijn niet opgenomen in de analyse. 

Eens ze hun planeten zo groot als de aarde geïdentificeerd hadden, probeerden Quick en haar team vast te stellen hoeveel energie elke planeet zou kunnen opwekken en vrijgeven als warmte. Ze bekeken daarvoor twee primaire bronnen van warmte.

De eerste, radiogene warmte - warmte ontstaan door radioactiviteit -, wordt opgewekt in de loop van miljarden jaren door het trage verval van radioactieve materialen in de korst en de mantel - de laag tussen de korst en de kern.

De snelheid van het verval hangt af van de ouderdom van de planeet en de massa van haar mantel. Andere wetenschappers hadden die verhoudingen al berekend voor planeten die zo groot zijn als de aarde en dus paste het team die vervalsnelheid toe op zijn lijst van 53 planeten. De onderzoekers gingen er daarbij van uit dat elke planeet even oud was als haar ster en dat haar mantel een even groot deel van het volume van de planeet innam als de mantel van de aarde. 

Vervolgens berekenden ze de warmte die geproduceerd werd door iets anders: de getijdenkrachten, wat energie is die opgewekt wordt door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht wanneer een object in een baan zit rond een ander object. 

Bij planeten in een uitgerekte of elliptische baan verandert de afstand tussen de planeten en hun sterren in de loop van de baan. Dat leidt tot veranderingen in de aantrekkingskracht tussen de twee objecten en maakt dat de planeet uitgerokken wordt en weer inkrimpt, wat warmte genereert. Uiteindelijk gaat die warmte verloren in de ruimte door het oppervlak van de planeet. 

Een ontsnappingsroute voor de warmte is vulkanisme of cryovulkanisme. Een andere manier is tektoniek, een geologisch proces dat verantwoordelijk is voor de beweging van de buitenste rotsachtige of ijsachtige laag van een planeet of maan.

Het is belangrijk te weten hoeveel warmte een planeet verliest, omdat dit het verschil kan maken tussen een leefbare en een niet leefbare planeet, op welke manier de warmte ook wordt afgegeven. Zo kan te veel vulkanische activiteit bijvoorbeeld een leefbare wereld veranderen in een gesmolten nachtmerrie. Te weinig activiteit kan dan weer het vrijkomen stilleggen van gassen die een atmosfeer vormen, zodat er enkel een koud, kaal oppervlak overblijft. Net voldoende activiteit levert een leefbare, natte planeet als de aarde op, of een mogelijk leefbare maan als Europa. 

Het resultaat van de berekeningen was dat alle 53 onderzochte planeten waarschijnlijk vulkanische activiteit aan hun oppervlak zouden vertonen, en dat minstens 26 procent van de planeten mogelijk oceaanplaneten zijn. Het grootste deel daarvan lijkt mogelijk op de ijzige manen van de reuzenplaneten, met een oceaan onder lagen ijs aan het oppervlak. Als dat het geval kunnen deze planeten cryovulkanisme - koud vulkanisme - aan hun oppervlak vertonen. 

In het volgend decennium zal de Europa Clipper-missie van de NASA het oppervlak van Europa en wat er onder ligt onderzoeken, wat ons een beter beeld zal geven van het milieu dat onder het oppervlak ligt. Als wetenschappers meer te weten komen over Europa en andere potentieel leefbare manen in ons zonnestelsel, zullen ze beter in staat zijn gelijkaardige werelden rond andere sterren te begrijpen. En volgens de bevindingen van deze studie kunnen er best wel veel van dergelijke werelden in onze Melkweg zijn. 

"De geplande missies zullen ons een kans bieden om te zien of er in de 'oceaanmanen' in ons zonnestelsel leven mogelijk zou zijn", zei Quick, die deel uitmaakt van het wetenschappelijk team van de Clipper-missie en van de Dragonfly-missie naar de maan Titan van Saturnus. "Als we chemische aanwijzingen van leven vinden, kunnen we proberen te zoeken naar soortgelijke aanwijzingen op interstellaire afstanden."

Als de Webb telescoop gelanceerd is, zullen onderzoekers proberen chemische aanwijzingen op te sporen in de atmosfeer van een aantal van de planeten in het TRAPPIST-1-systeem, dat 39 lichtjaar van ons verwijderd is, naar astronomische normen vlakbij. In 2017 kondigden astronomen aan dat dit systeem 7 planeten bevatte die ongeveer even groot waren als de aarde. 

Een aantal wetenschappers hebben gesuggereerd dat een aantal van die planeten water zouden kunnen bevatten, en de schattingen van Quick bevestigen dat idee. Volgens de berekeningen van het team zouden TRAPPIST-1 e, f, g en h tot de 14 oceaanwerelden kunnen behoren die in de studie geïdentificeerd zijn. 

De onderzoekers voorspelden dat die 14 exoplaneten een oceaan hebben door de oppervlaktetemperatuur van elke planeet te bekijken. Die kan men te weten komen door de hoeveelheid stellaire straling te meten die elke planeet weerkaatst in de ruimte. Het team van Quick hield ook rekening met de densiteit - de dichtheid - van elke planeet en de geschatte hoeveelheid interne warmte die ze opwekt in vergelijking met die van de aarde. 

"Als we zien dat de dichtheid van een planeet lager is dan die van de aarde, is dat een aanwijzing dat er meer water aanwezig kan zijn en minder rots en ijzer", zei Quick. "En als de temperatuur van de planeet vloeibaar water toelaat, dan heb je een oceaanwereld."

"Maar als de oppervlaktetemperatuur van een planeet lager is dan 0 graden, dan hebben we een ijzige oceaanwereld, en de densiteit van die planeten is zelfs nog lager", zo zei ze. 

De studie van Quick en het team van Goddard, het Planetary Science Institute in Tucson en de University of Idaho in Moscow is gepubliceerd in Publications of the Astronomical Society of the Pacific. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Goddard Space Flight Center.