Met zijn zeven aardachtige planeten haalde het planetenstelsel TRAPPIST-1 onlangs het wereldnieuws. Drie van deze planeten liggen namelijk in de zogenoemde leefbare zone van hun moederster. Daarmee bedoelen astronomen dat water er in vloeibare vorm zou kunnen voorkomen. Maar wat komt er nog meer kijken bij het zoeken naar leefbare planeten? Aan de hand van TRAPPIST-1 legt sterrenkundige Floris van der Tak het uit.
Voorjaar 2017 haalde het planetenstelsel TRAPPIST-1 het wereldnieuws. De naam van dit stelsel is ontleend aan de robot-telescoop TRAPPIST, die naar periodieke verzwakkingen van sterlicht zoekt die op planeten wijzen. De Belgische onderzoekers die de telescoop hebben gebouwd houden blijkbaar wel van een biertje (of kaasje). Maar alleen met een leuke naam haal je de krant niet en met een nieuwe planeet tegenwoordig ook niet meer.
Er zijn al zo’n 3500 planeten gevonden, waarvan ongeveer 80 procent met de transit-methode, waarbij de ster periodiek iets zwakker wordt doordat de planeet er voorlangs beweegt. Ongeveer de helft van de planeten die zo zijn ontdekt, zijn kleintjes zoals de aarde. Omdat de planeten van TRAPPIST-1 ook zo klein zijn, is dit dus geen groot nieuws. Met zeven planeten is het TRAPPIST-1 systeem wel groter dan normaal, maar zeker geen unicum. Met acht planeten voerde onze zon lange tijd de ranglijst aan, maar in december 2017 is een even groot planetenstelsel ontdekt.
Leefbare zone
De reden dat TRAPPIST-1 zo’n sensatie werd, is dat drie van de planeten in de ‘leefbare zone’ van de ster liggen, waarbinnen volgens de gangbare definitie leven mogelijk is. Maar wat houdt deze definitie precies in? Bij planeten wordt daarmee bedoeld dat de temperatuur aan het oppervlak tussen de 0 en 100 graden Celsius ligt, zodat water in vloeibare vorm mogelijk is. Water is essentieel voor het leven zoals wij het op aarde kennen: onder meer als transportmiddel voor bijvoorbeeld enzymen en hormonen.
Nu hoeft leven op andere planeten niet zoals hier te zijn. Andere vluchtige stoffen, zoals ammoniak en methaan, kunnen ook als transportmiddel dienst doen. Maar vergeleken bij water zijn deze stoffen over een veel kleiner temperatuurbereik vloeibaar, waardoor de temperatuur erg nauw luistert. En ze hebben veel lagere kook- en smeltpunten, waardoor chemische reacties langzamer verlopen. Het gebruik van water voor de definitie van leefbaarheid lijkt dus logisch, hoewel het niet de enige optie is.
Maar hoe warm is het nu echt?
Het is nog maar de vraag of de planeten van TRAPPIST-1 werkelijk leefbaar zijn. De temperaturen van planeten kunnen we namelijk niet direct meten. Die worden geschat op basis van de temperatuur van de ster (bijvoorbeeld 5500 graden Celsius voor onze zon) en de afstand van de planeet tot de ster (bijvoorbeeld 150 miljoen kilometer voor de aarde). De precieze temperatuur hangt ook af van de hoeveelheid licht die de planeet weerkaatst. Donkere planeten van pure rots (zoals Mercurius) zijn relatief warmer dan planeten met wolken (zoals de aarde) of ijsvlaktes (zoals Mars).
Verder kunnen inwendige warmtebronnen een rol spelen, zoals radio-actief verval in het binnenste van de aarde. Tenslotte kunnen de atmosferen van planeten extra warmte vasthouden, vooral als ze veel CO2 bevatten zoals bij Venus. Simpele schattingen van de temperatuur kunnen er dus best ver naast zitten.
De TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) op het La Silla-observatorium in Chili. Bron: ESO / Université de Liège.
Voor de leefbaarheid van een planeet is ook van belang dat de temperatuur enigszins stabiel is. Kleine schommelingen, zoals de seizoenen op aarde, zijn goed om de boel in beweging te houden. Extreme seizoenen waarbij het een half jaar vriest en een half jaar kookt, zijn geen leefbare omstandigheden. Kometen met hun langgerekte banen om de zon zijn hier een voorbeeld van. En er zijn exoplaneten bekend met banen die langwerpiger zijn dan die van komeet Halley. Maar dat zijn uitzonderingen. De meeste planeten hebben min of meer ronde banen, wat een redelijk stabiel klimaat oplevert. Dit geldt ook voor TRAPPIST-1.
Maar is er wel water?
Nu is de juiste temperatuur een vereiste voor vloeibaar water, maar dan moet er ook wel water aanwezig zijn. Het goede nieuws is dat het niet heel veel hoeft te zijn. Voor ons bewoners van het aardoppervlak lijkt het hier een natte boel (vooral op plekken zoals Nederland), maar eigenlijk is de aarde juist heel droog. Hoewel 71 procent van het aardoppervlak bedekt is met oceanen, bestaat slechts 0.02 procent van de massa van onze planeet uit water. Daarmee is de aarde lang niet de natste plek van het zonnestelsel. Europa bevat twee tot drie keer zoveel water, hoewel deze Jupiter-maan iets kleiner is dan onze Maan. Alleen zit het water op Europa onder een ijslaag van 20 kilometer dik, waardoor fotosynthese onmogelijk is.
Wat er – behalve water – precies allemaal nodig is om een planeet leefbaar te maken, weten we niet precies. Sterren zenden behalve licht ook geladen deeltjes uit, die schadelijk zijn voor biomoleculen zoals DNA. Veel planeten hebben een magnetisch veld dat helpt om die deeltjesstroom af te schermen. Hierdoor ontstaat op aarde bijvoorbeeld het Noorderlicht. De TRAPPIST-planeten zouden zo’n scherm goed kunnen gebruiken want ze staan heel dicht bij hun ster en vangen heel veel geladen deeltjes op.
Schuivende continenten houden het klimaat in beweging, bijvoorbeeld met ijstijden, maar of dit echt nodig is voor leven is onduidelijk. Een atmosfeer lijkt wel een vereiste voor leefbare planeten, zodat verdamping van water aan het oppervlak wordt gecompenseerd door condensatie. Zuurstof hoeft die atmosfeer niet te bevatten. Onze atmosfeer bevat pas sinds twee miljard jaar zuurstof en bacteriën bestaan al veel langer. Ook de ozonlaag is er niet altijd geweest. Bescherming tegen UV-straling is belangrijk voor planten en dieren, maar niet voor leven an sich. Of de planeten van TRAPPIST-1 een atmosfeer hebben en of deze water bevatten, kunnen we hopelijk in de toekomst met spectroscopie vaststellen.
Gevaar door straling
Er zijn ook factoren die het ontstaan van leven juist bemoeilijken. Twee daarvan spelen bij TRAPPIST-1 een rol. De planeten staan heel dicht bij hun moederster, en dat heeft twee nadelen. Ten eerste is het stralingsveld van de ster heel sterk, waardoor een planeet zijn atmosfeer snel verliest. Ten tweede remmen de getijdenkrachten de rotatie van de planeten om hun eigen as zoveel af dat die net zo lang duurt als een rondje om de ster. Daardoor zijn een jaar en een dag even lang. zoals onze maan altijd met dezelfde kant naar ons toe staat. Hierdoor is het aan de dagkant van de planeten altijd warm en aan de nachtkant altijd koud. Leven zou dan alleen mogelijk zijn in een klein gebied op de grens van dag en nacht. Wacht dus nog even met het boeken van een vakantiereis naar TRAPPIST-1.
Afgelopen jaar is het ORIGINS-centrum van start gegaan, een samenwerking van Nederlandse wetenschappers uit de sterrenkunde, biologie, scheikunde, geowetenschappen, fysica en wiskunde/informatica. Het doel is om het ontstaan en de evolutie van het leven beter te begrijpen, zowel op Aarde als op andere planeten. De aftrap was de conferentie Fundamentals of life in the Universe in de zomer van 2017 in Groningen, die ik mede organiseerde. Intussen is het wachten op de ontdekking van TRAPPIST-2. Of misschien worden de komende ontdekkingen wel Dubbel en Tripel genoemd.
