Is de aarde toch uniek? Het recept voor een levensvatbare planeet

De speurtocht naar buitenaards leven is met de landing van Nasa’s Marswagen Perseverance vorige maand weer in een nieuwe fase terechtgekomen. Maar hoe staat het met sporen van leven op planeten bij andere sterren dan de zon? 

In de afgelopen 25 jaar zijn meer dan 4.300 ‘exoplaneten’ ontdekt, zelfs bij onze naaste buursterren. Daar zitten ook exemplaren tussen die je met een beetje goede wil ‘zusjes van de aarde’ zou kunnen noemen. Veel sterrenkundigen gaan er dan ook van uit dat het moet wemelen van leven in het heelal. Toch is er nog steeds geen greintje bewijs gevonden voor enige vorm van biologische activiteit op al die verre werelden. Is de aarde dan toch uniek?

Zover wil Alessandro Morbidelli van de Côte d’Azur-sterrenwacht in Nice niet gaan, maar ‘levende’ planeten zoals de aarde zijn misschien wel behoorlijk zeldzaam, zei hij onlangs op een onlinecongres van het Nederlandse Origins Center. Om ontstaan en evolutie van leven zoals wij dat kennen mogelijk te maken, moet een planeet namelijk aan bijzondere voorwaarden voldoen. ‘Je hebt behoorlijk wat geluk nodig’, aldus Morbidelli.

Gewoon goed blijven zoeken, luidt dan ook het devies. ‘Het is natuurlijk wel de one-billion-euroquestion’, zegt exoplanetenexpert Ignas Snellen van de Leidse Sterrewacht: ‘Zijn we alleen?’

Recept voor een ‘levende’ planeet

Op het Origins-congres presenteerde Morbidelli zeven ‘ingrediënten’ die de aarde tot een levensvatbare planeet hebben gemaakt. Daar komt heel wat meer bij kijken dan een gunstige temperatuur en de aanwezigheid van water. De precieze manier waarop ons zonnestelsel zo’n 4,6 miljard jaar geleden ontstond, speelde bijvoorbeeld een doorslaggevende rol. En minstens zo belangrijk: de catastrofale botsing van de aarde met een kleiner hemellichaam, die leidde tot de vorming van de maan.

Voorwaarde 1 is dat de aarde zich in de ‘bewoonbare zone’ van de zon bevindt: niet te dichtbij en niet te ver weg, zodat er vloeibaar water kan voorkomen. Veel exoplaneten racen in kleine omloopbanen rond hun ster, waar de temperatuur schrikbarend hoog is. Ze zijn daar terechtgekomen doordat ze werden afgeremd door wrijving met de gas- en stofwolk waaruit ze zijn samengeklonterd – de protoplanetaire schijf. Op de een of andere manier is de aarde niet ten prooi gevallen aan dat proces van planeetmigratie.

Dat hebben we volgens Morbidelli te danken aan het snelle ontstaan van de grote planeten Jupiter en Saturnus, op grotere afstand van de zon. Eén reuzenplaneet zou zeker naar binnen zijn gespiraald, met desastreuze gevolgen voor de aarde. Dankzij de onderlinge zwaartekrachtwerking van het reuzenplanetenduo bleef Jupiter min of meer op z’n plek. Gelukkig maar, want anders was de aarde misschien het zonnestelsel uit geslingerd, of zou hij door de zon zijn opgeslokt.

Opmerkelijk genoeg zijn de banen van de reuzenplaneten min of meer cirkelvormig gebleven en daardoor bleef de baan van de aarde dat ook. Dat is voorwaarde 2, want een planeet in een uitgerekte ellipsbaan vertoont veel te extreme klimaatschommelingen. Elders in het heelal zijn tal van voorbeelden gevonden van planeten in zeer excentrische banen, maar in ons zonnestelsel bleven zulke ingrijpende verstoringen uit.

Voorwaarde 3 is dat de aarde geen dikke, waterstofrijke atmosfeer heeft: in zo’n dampkring kan zich nooit voldoende vrije zuurstof opbouwen die van belang is voor complexere levensvormen. Ook dat hebben we aan Jupiter te danken: de vroege aanwezigheid van de reuzenplaneet zorgde ervoor dat stof uit de buitendelen van het zonnestelsel-in-wording niet gemakkelijk naar binnen bewoog. Daardoor groeide de aarde maar langzaam en was het meeste waterstof in de protoplanetaire schijf al weggeblazen door de pas gevormde zon tegen de tijd dat de planeet groot en zwaar genoeg was om een dikke atmosfeer aan zich te binden. Was de aarde sneller gegroeid, dan zou ze nu een ‘mini-Neptunus’ zijn geweest, zoals die ook veel bij andere sterren zijn gevonden.

De aanwezigheid van water is voorwaarde 4, ‘maar,’ zegt Morbidelli, ‘er moet ook weer niet te véél van zijn.’ Op de bodem van een wereldwijde, honderden kilometers diepe oceaan ontstaat door de hoge druk namelijk een laag van ‘tetragonaal’ ijs, met een dichtheid hoger dan die van vloeibaar water. Voedzame mineralen uit de aardkorst kunnen dan dus nooit in het water terechtkomen, waardoor de oceaan volledig steriel zou blijven. 

Plaattektoniek, het trage onderlinge schuiven en botsen van grote stukken aardkorst, is voorwaarde 5 voor de levensvatbaarheid van onze planeet. Via neerslag, verwering van gesteente en subductie (waarbij een continentale plaat de aardmantel in duikt) komt kooldioxide uit de aardse dampkring terug in de mantel. Die kooldioxidecyclus – toevoer via vulkanisme en afvoer via plaattektoniek – werkt op geologische tijdschalen als een soort thermostaat, waardoor het klimaat op aarde niet volledig op hol is geslagen, zoals dat bijvoorbeeld op buurplaneet Venus gebeurde.

En daar komt de maan om de hoek kijken. Die werd geboren uit de brokstukken van een gigantische kosmische inslag, in de slotfase van het ontstaan van het zonnestelsel. Modelberekeningen laten zien dat de ordentelijke, gelaagde opbouw van het inwendige van de aarde daarbij flink overhoop werd gegooid. Gevolg: zowel in de kern als in de mantel kon veel gemakkelijker grootschalige convectie op gang komen, en mantelconvectie (vergelijkbaar met het borrelen van een pan soep) maakt plaattektoniek mogelijk.

Zo komt Morbidelli vanzelf bij voorwaarde 6: doordat er ook convectie optreedt in de vloeibare buitenkern van de aarde – eveneens het gevolg van de inslag waarbij de maan ontstond – heeft onze planeet een magnetisch veld dat dodelijke kosmische straling buiten de deur houdt. En wat dacht je van het feit dat de relatief grote maan van de aarde een stabiliserende invloed heeft op de stand van de aardas, waardoor extreme klimaatschommelingen achterwege blijven – voorwaarde 7. Zonder die grote maan van ons, en zonder de kosmische klap waarbij die maan ontstond, was de aarde nu hoogstwaarschijnlijk een levenloze planeet geweest.

Superbewoonbare planeten en biomarkers

Zo bekeken lijkt het ontstaan van een levensvatbare planeet inderdaad behoorlijk zeldzaam: het zal niet zo vaak voorkomen dat ook op een andere plek in het heelal aan al deze specifieke voorwaarden wordt voldaan. ‘De eerstvolgende planeet waar iets op leeft zou weleens heel ver weg kunnen liggen’, zegt Morbidelli.

Niet iedereen is even pessimistisch. Exobioloog Dirk Schulze-Makuch van de Technische Universiteit Berlijn wees op hetzelfde Origins-congres op de enorme verscheidenheid van het leven op aarde. ‘Homo sapiens, de grote witte haai en Acidianus infernus – een bacterie die in hete, zure poelen leeft en een stofwisseling heeft die gebaseerd is op zwavel – leven onder compleet verschillende omstandigheden, maar hebben allemaal de aarde als hun thuisplaneet’, zegt hij. Wie weet wat er elders in de kosmos allemaal mogelijk is.

Schulze-Makuch wijst ook op het bestaan van exoplaneten waar de omstandigheden voor de ontwikkeling van complex leven gunstiger zijn dan hier op aarde. Bijvoorbeeld doordat ze wat warmer zijn en een baan beschrijven rond een ster met een aanzienlijk langere levensduur dan de zon, zodat er ook veel meer tijd is voor het experiment van de biologische evolutie. Twee van zulke ‘superbewoonbare’ planeten bevinden zich zelfs op een afstand van minder dan 100 lichtjaar. ‘Die planeten verdienen onze speciale aandacht als we op zoek gaan naar biomarkers’, aldus Schulze-Makuch.

Biomarkers zijn moleculen in de dampkring van een planeet die kunnen wijzen op de aanwezigheid van biologische activiteit op het oppervlak, zoals zuurstof, methaan en ozon. Makkelijk is dat niet, zoals een paar maanden geleden bleek, toen radioastronomen meenden fosfine ontdekt te hebben in de dikke dampkring van buurplaneet Venus. Fosfine (PH₃) kan vrijwel alleen ‘aangemaakt’ worden door micro-organismen en iedereen begon meteen te speculeren over leven op Venus. Inmiddels is duidelijk dat de onderzoekers het slachtoffer zijn geworden van meetruis, kalibratiefouten en net iets te veel wishful thinking.

Ignas Snellen, die als eerste de fosfineclaim onderuit wist te halen, verwacht dat het altijd zo zal gaan: het onderzoek speelt zich per definitie af aan de grens van wat technisch haalbaar is; fouten zijn onvermijdelijk en er komt waarschijnlijk nooit één aanwijsbaar moment waarop het bestaan van buitenaards leven onomstotelijk wordt aangetoond. ‘Het wordt een langdurig, moeizaam proces’, zegt hij.

Wat niet wil zeggen dat het nooit zal lukken. Eind dit jaar wordt de James Webb Space Telescope gelanceerd en onder leiding van de Nederlandse Onderzoekschool Voor Astronomie (Nova) werken Europese astronomen aan de ontwikkeling en de bouw van Metis, een van de eerste wetenschappelijke instrumenten voor de toekomstige Extremely Large Telescope in Chili, die een spiegeldiameter van bijna 40 meter krijgt. ‘Wat daar qua onderzoek naar biomarkers allemaal mee mogelijk is, daar loopt het water me van in de mond’, zegt Snellen.

Ondertussen werkt een team onder leiding van astrofysicus Sascha Quanz in Zürich hard aan het ontwerp van een toekomstig netwerk van samenwerkende ruimtetelescopen – een interferometer – die detailonderzoek moet gaan verrichten aan aarde-achtige exoplaneten. De naam? Large Interferometer For Exoplanets, oftewel Life. Geluk moet je soms een beetje proberen af te dwingen.

En ja, misschien stuiten we wel op ‘life, but not as we know it’, net zoals in de sciencefictionserie Star Trek. Want, geeft ook Alessandro Morbidelli toe, wij zoeken toch vooral naar leven zoals we dat hier op aarde kennen, gebaseerd op koolstofchemie en in hoge mate afhankelijk van water. De rest is pure speculatie. ‘Kan er op een planeet die niet aan mijn zeven voorwaarden voldoet misschien een compleet andere vorm van leven ontstaan? Ik zou het niet weten.’