Hoe is de aarde ontstaan? Hoe is het leven op aarde ontstaan? Zijn we alleen in het universum? Overal waar ik kijk, duiken die vragen op. In kranten, televisie, internet, en bij mijn collega-wetenschappers. Komt dat door mijn eigen, toch nog redelijk nieuwe, professionele bril? Misschien. Het komt denk ik ook omdat het antwoord op deze vraag die de mensheid al eeuwen bezighoudt, steeds meer binnen handbereik lijkt te komen. Ik durf te stellen dat we in de 21ste eeuw het antwoord op de vraag of er leven buiten de aarde is, eindelijk zullen vinden. En als het aan mij ligt voor mijn eigen pensioen. Hoe waanzinnig is dat?
Daarvoor is nog wel heel wat nodig. We kunnen niet afwachten tot de ‘magie van de technologische vooruitgang’ zijn werk voor ons doet. Of, nou ja, misschien kunnen we dat eigenlijk best, maar op mijn werk worden we geacht deze magie werkelijkheid te maken.
Sleutelen aan de frontlinie
Het heeft me altijd gefascineerd om uit te vogelen hoe iets echt in elkaar steekt. De magie van zijn magie ontdoen. Praktisch gezien: de zwarte doos van de videorecorder uit elkaar halen om te kijken hoe elk wieltje en radartje ervoor zorgt dat een beeld wordt gevormd. Net zolang tot het apparaat geen magie meer is, maar een wonderlijk, logisch samenspel van ingenieuze vondsten.
En dat is wat mijn werk bij SRON Netherlands Institute for Space Research ook zo fascinerend maakt. Om samen te werken met mensen die aan de frontlinie van de technologische vooruitgang opereren. Mensen die dagen in het lab doorbrengen om te sleutelen aan draadjes en moertjes om ogenschijnlijk kleine problemen op te lossen, en zo tot een groots geheel komen. Dit zijn de mensen die niet zeggen: ‘dat kan men tegenwoordig allemaal al’, maar: ‘dat kan ik tegenwoordig allemaal al’. Mensen die duwen tegen de grenzen van wat mogelijk is. Daardoor kunnen ze haarfijn uitleggen hoe elk radertje en draadje van zo’n vooruitgang in elkaar steekt.
De volgende stap: ARIEL
De nieuwe ruimtetelescoop ARIEL is de volgende stap in het begrijpen van het ontstaan van planetenstelsels zoals het onze. Niet te verwarren met de zeemeermin, staat ARIEL voor the Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey. We, dat wil zeggen een grote groep Europese wetenschappers en instrumentbouwers, hebben vandaag groen licht gekregen van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA om deze missie van de grond te tillen. Het project gaat ongeveer 450 miljoen euro kosten. In 2028 gaat de ruimtetelescoop de lucht in. Een waanzinnige mijlpaal waarvoor we bij SRON de champagne hebben opengetrokken.
Al jaren werken we aan de voorbereidingen voor deze telescoop, en de komende jaren zijn we bezig met het bouwen ervan. Dit met een consortium van 15 landen in Europa waarbij elk land zijn eigen stukje ingenieuze, vernieuwende techniek mag toevoegen. Bij SRON bijvoorbeeld, gaan we de elektronica ontwikkelen die het signaal van de detectoren uitleest. Een klein, maar cruciaal onderdeel van de telescoop.
Tekening van de ARIEL-telescoop
Hoogwaardige elektronica
Dat lijkt simpel, maar het is oneindig veel ingewikkelder de elektronica die de camera uitleest van je telefoon. Het grootste probleem zit hem in het feit dat we met ARIEL infrarood warmtestraling gaan bekijken. Op die infrarode golflengtes zitten namelijk alle interessante vingerafdrukken van de moleculen. Uiteraard willen we niet dat het zwakke signaal van de planeet verdrinkt in de warmtestraling van de telescoop of de elektronica. Vergelijk dit weer met een smart phone: die van mij wordt soms behoorlijk heet. Die elektronica zou elk signaal van een planeet volledig overstralen. Alsof je met een extreem goeie verrekijker een vogeltje in het bos probeert te spotten terwijl er iemand met een bouwlamp naast je staat en recht in je lens schijnt. Dat werkt dus niet.
Daarom moeten de detectoren en de elektronica extreem gekoeld worden, en werken bij -220 graden Celcius. We hebben dus elektronica nodig die werkt bij -220 graden Celcius, die geen warmte opwekt en de extreme straling en vacuüm-omstandigheden van de ruimte aankan. Dat is wel weer even andere koek en we moeten nog grotendeels bedenken hoe we dat gaan doen. En het is dan ook dit onderzoek, en niet het maken van de elektronica zelf, waar zoveel geld, tijd en brainpower in gaat zitten. Maar dan heb je ook een telescoop die straks in de ruimte aan alle kanten het onderste uit de kan haalt voor de mensheid.
Met ARIEL willen we de spectra van ongeveer 700 planeten rondom andere sterren, zogenoemde exoplaneten, gaan meten. Daarmee kunnen we de samenstelling van deze planeten tot in detail bepalen en zo heel veel te weten komen over hoe planeten vormen en evolueren.
De vingerafdruk van moleculen in een atmosfeer
Maar hoe werkt dat dan nou precies? De atmosfeer, de bovenste gas-laag, van een planeet bestaat uit verschillende moleculen; water, methaan, CO2, enzovoorts. Elk van die moleculen is goed in het tegenhouden (absorberen) van bepaalde golflengtes licht (kleuren). Zo is bijvoorbeeld het molecuul ozon, O3, heel goed in het absorberen van UV-licht, zeer korte golflengtes. Daarom beschermt de ozonlaag in onze atmosfeer tegen de schadelijke UV-straling van de zon. Het molecuul CO2 absorbeert warmtestraling, lange golflengtes. Daardoor zorgt te veel CO2 in de atmosfeer ervoor dat de aarde zijn warmtestraling niet kwijt kan en opwarmt: het broeikaseffect.
Nu zijn deze twee voorbeelden heel globaal gesteld, maar precies hoeveel elk molecuul op elke golflengte licht absorbeert, vormt in straling een heel gedetailleerde vingerafdruk. Een streepjescode. En die kunnen we heel goed gebruiken in ons ruimteonderzoek. Als een planeet voor zijn ster langs gaat, meten we hoeveel licht de atmosfeer van die planeet wegneemt op elke golflengte van het sterlicht. Daardoor kunnen we de vingerafdrukken herkennen van alle moleculen in de atmosfeer van die planeet. En we kunnen ook nog eens meten hoeveel van die moleculen er zijn. We verzamelen dus gedetailleerde informatie over de samenstelling van de atmosfeer van die planeet. En straks met ARIEL doen we dat bij ongeveer duizend planeten.
Is onze aarde uniek of gewoontjes?
So what?, hoor ik u denken. Waarom zou ik willen weten hoeveel CO2 er in de atmosfeer van een planeet zit vele lichtjaren hiervandaan? Omdat we uit die informatie details kunnen afleiden over het ontstaan van die planeet. Als we dat begrijpen, kunnen we ook begrijpen hoe ons eigen zonnestelsel is ontstaan. Was dat een normale gebeurtenis of een zeer bijzondere? Om te begrijpen hoe we die informatie halen uit de samenstelling van een atmosfeer, moeten we even terug naar hoe we denken dat planeten vormen.
Het algemene beeld over het ontstaan van planeten is in de afgelopen decennia aardig vormgegeven. Sterren vormen zich uit grote wolken gas en stof die in het universum hangen. Als zo’n wolk, een zogenaamde moleculaire wolk, dicht genoeg wordt, stort hij onder zijn eigen zwaartekracht in elkaar. In het centrum van die wolk vormt zich dan een ster. Er blijft echter een hoop materiaal over.
De moleculaire wolk draaide al een beetje, en die rotatie wordt enorm uitvergroot als de wolk kleiner wordt. Dit is vergelijkbaar met een kunstschaatser die harder gaat draaien door haar armen langs haar lichaam te houden. Door die draaiing van de wolk ontstaat een platte schijf van het overgebleven materiaal. Dit is de zogenaamde protoplanetaire schijf. In die schijf klontert uiteindelijk het materiaal samen om planeten, kometen en asteroïden te vormen.
Een kunstzinnige interpretatie van een protoplanetaire schijf met daarin een vormende planeet (credit: NAOJ)
Er blijven een hoop vragen bij dit beeld over. Wanneer vormen zich de planeten? Vormen eerst de grote planeten, of eerst de kleine? Hoe groot is de kans dat planeten zich vormen? Is elke planeetbaan meteen al op de afstand tot zijn ster waar we ze nu vinden, of is er nog evolutie in de structuur van een planetenstelsel? Is er een verrijking van de atmosfeer van de planeten in een later stadium? Al die vragen zijn cruciaal voor de vraag of ons zonnestelsel uniek of gewoontjes is.
Leven buiten de aarde
Afhankelijk van hun afstand tot de ster en de warmte die ze krijgen, hebben de verschillende elementen een gasvorm of juist een vaste vorm. Dit bepaalt onder meer hoe de planeet die uit dit materiaal vormt, eruitziet. Als het koud genoeg wordt, bevriest water en sluit zo veel zuurstof in de vorm van H2O op in de vaste kern van de planeet. Een planeet die op zo’n koude plek vormt, heeft dus weinig zuurstof en veel koolstofrijk materiaal zoals methaan in de atmosfeer. Planeten die onder warmere omstandigheden vormen, hebben juist veel zuurstofrijke waterdamp in de atmosfeer. Water is een vereiste om een planeet leefbaar te maken. Ook daarom is het goed te weten of water opgesloten zit in ijs. Daar is het makkelijk vrij te maken als vloeibaar water, of in gasvorm waar het makkelijk vervluchtigt.
Ook de vraag of grote planeten in een later stadium nog veel kleinere protoplaneetjes opslokken, kunnen we met de ARIEL-ruimtetelescoop beantwoorden. Dit doen we door te kijken naar hoeveel elementen, die we normaal in aardse rotsen vinden, we terugvinden in de atmosfeer van een exoplaneet. Zo hopen we te reconstrueren hoe de geboorte en vroege levensfasen van planeten en planetenstelsels er normaal gesproken uitzien.
De revolutie die James Webb heet
Volgend jaar lanceert de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA de James Webb Space Telescope (JWST). De grootste en duurste ruimtetelescoop die de mensheid tot nu toe ooit heeft gemaakt. Ook deze telescoop gaat spectra meten van exoplaneten. Die gegevens gaan het onderzoeksveld totaal op zijn kop zetten. De James Webb telescoop gaat namelijk voor het eerst over een veel uitgebreider golflengtebereik kijken dan tot nu toe mogelijk was. Voor het eerst krijgen we toegang tot de vingerafdrukken van alle belangrijke moleculen in de atmosferen van exoplaneten. JWST gaat echter veel meer doen. Bijvoorbeeld het jonge universum onderzoeken en kijken naar de eerste en zwaarste sterren. De telescoop heeft dus maar beperkt tijd om naar exoplaneten te kijken.
Met het handjevol exoplaneten dat we met JWST gaan waarnemen, krijgen we een voorproefje van wat we met ARIEL kunnen gaan doen. Met de veel uitgebreidere en haarscherpe oogst van ARIEL kunnen we vervolgens eindelijk statistische meetgegevens naast onze scenariomodellen leggen. Zo gaan we zien welke ontstaans-scenario’s vaak en minder vaak voorkomen.
Ik kan niet wachten tot het 2028 is, maar voor nu mogen we hard aan de slag om ARIEL ook echt mogelijk te maken. Stay tuned.
