Vijfentwintig jaar geleden zou een artikel met deze titel enkel in een middelmatig science-fictiontijdschrift gepubliceerd kunnen worden. We kenden toen negen planeten, die alle netjes om onze eigen zon hun rondjes draaien. Slechts op één daarvan is er leven. Voorbij Pluto (die destijds nog beschouwd werd als een heuse planeet) en de rest van het gruis in de buitenregionen van ons zonnestelsel, keken we enkel naar sterren en sterrenstelsels in allerlei soorten en maten. Na de ontdekking van de planeet rondom de ster 51 Pegasi in 1995, echter, is er een totale revolutie in de sterrenkunde losgebarsten. Ineens werden er allemaal instrumenten, telescopen en zelfs satellieten gebouwd om meer van dit soort exoplaneten te zoeken.

Planetendierentuin

Deze wetenschappelijke ‘gold rush’ is erg productief. Met steeds betere apparatuur en enig geduld bleek rond vrijwel elke ster wel minstens één planeet te vinden! Het heelal bleek al gauw fantasierijker dan science-fictionauteurs. Er werden namelijk vele gasreuzen ontdekt die zwaarder zijn dan Jupiter, maar in banen krapper dan onze binnenplaneet Mercurius. Er bestaan ook sterren met zo veel als zeven rotsachtige planeten op een rijtje (door onze zuiderburen het TRAPPIST1-systeem genoemd). Er draaien planeten rondom ‘dode’ sterren (neutronensterren en pulsars) die blijkbaar de gewelddadige ontploffing van de ster aan het eind van zijn leven overleefd hebben. Er draaien planeten rondom dubbelsterren (nou vooruit, die hadden we ook in Star Wars, maar dat zulke planeten een stabiele baan kunnen hebben was totaal onverwacht). Zelfs al onze buurster, Proxima Centauri, blijkt na wekenlange waarnemingen een planeet te herbergen waar misschien wel leven mogelijk is.

We hebben al deze planeten alleen nog nooit direct gezien.

Verreweg de meeste exoplaneten zijn op een indirecte manier gevonden door heel nauwkeurig het licht van hun ster op te meten. De aanwezigheid van zo’n planeet kan zich op twee verschillende manieren verraden. De eerste meetmethode maakt gebruik van het Dopplereffect; welbekend van het geluid van de brandweerauto, maar evenzeer van toepassing op sterlicht. Elke planeet trekt met zijn zwaartekracht namelijk net zo hard aan de ster als dat de ster aan de planeet trekt om deze in zijn baan te houden. Dat betekent dat de planeet gedurende zijn baan rondom zijn ster diezelfde ster een klein beetje op en neer wiebelt. Dat gewiebel maakt de ster afwisselend een heel klein beetje roder en blauwer, en dat kunnen we met zeer gevoelige apparatuur op aarde meten. De Zwitsers maken nu, naast precisie-uurwerken, spectrografen die sterren zien bewegen met een snelheid zo laag als 10 centimeter per seconde. Ik daag je uit om zo langzaam te lopen!

De tweede meetmethode is gevoelig voor planeten die toevallig precies tussen hun ster en ons in bewegen en zo een klein beetje sterlicht wegnemen. Door de hoeveelheid licht van vele sterren elke nacht te meten, zien we af en toe de schaduwen van hun planeten voorbijschieten. De Kepler-ruimtetelescoop is zodanig gevoelig dat hij aardachtige planeten die slechts een tienduizendste van de ster afdekken kan ontdekken. Bovendien zal een klein deel van het sterlicht door een dunne band dampkring sijpelen, en gassen in de atmosfeer kunnen daarbij een duidelijke vingerafdruk in het sterspectrum achterlaten. Op deze manier kunnen we dus zelfs al metingen doen aan de weersystemen (wolken! stormen!) van sommige exoplaneten.

De leefbare zone

Dankzij deze twee detectiemethodes staat de teller halverwege 2017 op meer dan 3600 exoplaneten die met zekerheid ontdekt zijn, en er komen vrijwel dagelijks nieuwe bevestigingen bij. De statistiek is nu al zodanig dat we met zekerheid kunnen zeggen dat in ieder geval de sterren in onze kosmische achtertuin gemiddeld gesproken minstens één planeet hebben. We mogen dan toch wel aannemen dat er meer planeten ronddraaien in ons heelal dan dat er sterren zijn. Sterker nog, voor zonachtige sterren is er een kans van ongeveer 1 op 5 dat er een rotsachtige planeet (dus niet een gasreus) omheen draait op de juiste afstand, waardoor water er in vloeibare vorm voor kan komen.

Dan rijst hier de onvermijdelijke vraag over buitenaards leven. Hoewel de discussie over wat leven precies is en hoe het op aarde ontstaan is voortraast als nooit tevoren, zijn biologen het er wel redelijk over eens dat vloeibaar water een van de weinige noodzakelijke ingrediënten is voor leven. Het moet namelijk dienen als oplosmiddel voor de complexe moleculen (zoals suikers en aminozuren) die biologische processen mogelijk maken. Deze moleculen bestaan op hun beurt weer uit atomen die eigenlijk overal wel in groten getale aanwezig zijn, omdat ze zijn gemaakt in de Oerknal (waterstof) of in sterren (koolstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel). De andere ingrediënten zijn energie (geleverd door een ster, of door de warmte van de planeet zelf) en een stabiele omgeving voor het primitieve leven om zich door te ontwikkelen.

Van al deze ingrediënten is vloeibaar water misschien wel het zeldzaamst, aangezien het maar binnen een klein temperatuurbereik kan voorkomen. Onze zoektocht naar exoplaneten met eventueel leven richt zich dus op planeten op de juiste afstand van hun ster zodat water (als het er al is) er vloeibaar kan zijn. Voor ons zonnestelsel strekt de zogenaamde leefbare zone zich uit van Venus tot en met Mars. Maar op Venus is het veel te warm geworden door een uit de hand gelopen broeikaseffect wegens CO2 uit vulkanen. De aarde zou normaal gesproken aan de koude kant zijn, maar hier heeft het natuurlijke broeikaseffect juist voor een aangename temperatuur gezorgd (al loopt het door de mens veroorzaakte extra broeikaseffect nu ook behoorlijk uit de hand). Mars is op zijn best nog een twijfelgevalletje qua leefbaarheid: in het algemeen is het er te koud en droog, maar het is nu aangetoond dat er af en toe wat waterijs smelt en dat er zeker in het verleden water heeft gestroomd.

Bij andere sterren kan de leefbare zone op een andere afstand liggen, al naar gelang de lichtkracht van de ster. Proxima Centauri is bijvoorbeeld een rood dwergsterretje, dat ondanks zijn nabijheid niet eens met het blote oog waargenomen kan worden. De leefbare zone eromheen is daarom dus vlak bij de ster, zo’n twintig keer dichterbij dan de afstand tussen aarde en zon. Het toeval wil nu dat Proxima Centauri b, de planeet die recentelijk gevonden is, zijn rondjes precies op die afstand ronddraait. Een jaar duurt daar maar iets langer dan elf dagen.

Groot, groter, grootst

De uitdaging waar we nu voor staan is om al deze exoplaneten ook daadwerkelijk te gaan zien. Vervolgens moeten we hun licht analyseren om hun atmosferen en eventuele oppervlakken in detail te kunnen karakteriseren. Dit is voorwaar geen makkelijke taak. Allereerst is het niet makkelijk omdat vanuit ons gezien een planeet ontzettend dicht bij de ster staat en we dus een grote telescoop nodig hebben om deze twee puntjes licht überhaupt van elkaar te kunnen onderscheiden. Gelukkig staan er her en der over de hele wereld nu erg grote telescopen. Het vlaggenschip van de Europese sterrenkunde heet weinig fantasievol de ‘Very Large Telescope’, die bestaat uit vier afzonderlijke telescopen in Chili met een spiegeldiameter van elk acht meter. Als je zo’n Very Large Telescope op je dak zou bouwen, zou je daarmee klok kunnen kijken op de Big Ben in Londen (aannemende dat je ergens in Nederland woont). Echter, met zo’n beeldscherpte kunnen we nog niet in de leefbare zones van de meeste nabije sterren kijken! Daarom bouwen we nu op de bergtop even verderop in Chili de ‘Extremely Large Telescope’, die een hoofdspiegel met een diameter van 39 meter krijgt.

Extremely Large Telescope.
Bron: ESO/L. Calçada

Maar dan zijn we er nog lang niet. Als we ons eigen zonnestelsel vanaf een grote afstand zouden bekijken, dan is de grootste planeet (Jupiter) in zichtbaar licht een miljard keer minder fel dan de zon. Voor de aarde gaat het om een factor 10 miljard! Omdat telescopen niet oneindig groot zijn en nooit perfecte optica hebben, hangt er altijd een halo van licht rondom de afbeelding van iedere ster. De meeste exoplaneten worden dus totaal overstraald door sterlicht. Als we deze halo van sterlicht vergelijken met het hoogteprofiel van Mount Everest, dan is Jupiter zo groot als een rood bloedlichaampje, en is de aarde een bacterie ergens op de flanken van de berg.

Om exoplaneten direct in beeld te krijgen moeten we dus dwars door deze halo heen prikken, maar de optische technologie hiervoor moeten we nog uitvinden. Dit doen wij nu in onze onderzoeksgroep in Leiden. Door gebruik te maken van vloeibare kristallen die eigenlijk ontwikkeld zijn voor toepassing in beeldschermen, kunnen we het sterlicht zodanig naar onze hand zetten dat in de halo een donker gat ontstaat waarin we veel makkelijker naar exoplaneten kunnen kijken. Om de vergelijking door te trekken: we kunnen Mount Everest grotendeels plat-bulldozeren.

Een ster met een gat in de halo.
Bron: Leiden University, University of Arizona

Ontdekkingsreizen

Wij passen onze vloeibaar-kristaltechnologie nu toe op telescopen verspreid over de hele wereld: Chili, Hawaii, de Canarische Eilanden, Arizona (VS). In 2018 gaan we er bijna de ruimte mee in op een Canadese stratosferische ballon. Met dit wereldwijde arsenaal zijn we nu onderzoek aan het doen naar Jupiter-achtige exoplaneten. Zodra de Extremely Large Telescope er klaar voor is, krijgen we ook aardachtige planeten zoals Proxima Centauri b in ons vizier. Al dit onderzoek vindt plaats in buitengewoon amicale internationale (Europese en zelfs mondiale) samenwerkingen. Wij zijn ons zeer bewust van het feit dat we deze ontdekkingen namens de gehele mensheid doen.

Nu uit de statistiek duidelijk is dat we alleen maar goed genoeg moeten leren kijken om een leefbare planeet te zien en we de techniek razendsnel in gereedheid brengen, hebben we alleen nog maar een beetje geluk nodig dat er op nabije exoplaneten ook daadwerkelijk leven ontstaan is. We weten nu dat er op aarde eigenlijk zodra de omstandigheden ernaar waren leven is ontstaan. Dit primitieve leven heeft ook relatief snel een duidelijke invloed gehad op onze atmosfeer. Allerlei soorten blauwalgen zijn namelijk CO2 in zuurstof om gaan zetten, hetgeen de deur opende voor de ontwikkeling van complexere levensvormen die die zuurstof weer konden gebruiken bij hun energiehuishouding. Wij richten ons vooralsnog niet op complex buitenaards leven en we zouden al buitengewoon tevreden zijn met een detectie van zuurstof in een atmosfeer van een exoplaneet. Het is in veel gevallen zeker dat een atmosfeer alleen met al die zuurstof in onbalans gebracht kan worden door biologische processen. Als we het leven op aarde zouden uitroeien, zou namelijk binnen enkele duizenden jaren alle zuurstof uit de lucht zijn weggeroest op gesteentes. Daarom ontwikkelen we nu optische meettechnieken om specifiek de aanwezigheid van zuurstof en andere gassen die eigenlijk niet ‘thuishoren’ in een planeetatmosfeer te testen en om hun signaal te onderscheiden van dat van onze eigen atmosfeer vol zuurstof.

Ik ben ervan overtuigd dat wij het gaan meemaken dat we buitenaards leven gaan vinden. Een ‘tweede aarde’ gaan we sowieso binnen afzienbare tijd in beeld krijgen. We zullen het echter met het licht van deze tweede aarde moeten doen, want we kunnen er niet naartoe. Zelfs naar Proxima Centauri is het duizenden jaren vliegen met de snelste raket die we nu hebben. Vooralsnog zal de mensheid het dus nog met onze eerste en enige aarde moeten doen. Om bij te dragen aan de leefbaarheid op aarde passen wij onze sterrenkundige technologie ook toe om essentiële metingen te doen aan onze eigen atmosfeer, bijvoorbeeld om de invloed van fijnstof op onze gezondheid en op ons klimaat te meten. Hopelijk zal een ontdekking van buitenaards leven ons leren om het leven op aarde juist iets meer te gaan waarderen.