leven (2) - Sterrenwacht Vesta

LEVEN (2)
In het vorig VESTA nummer lazen we hoe het leven op aarde zich heeft ontwikkeld.
Een intrigerende vraag is uiteraard: is het leven op aarde uniek, d.w.z. zijn wij de enige
levende wezens in het immense heelal of bestaan er elders nog vormen van (al dan niet
intelligent) leven ?
Voor (streng) gelovigen is dat geen punt. De Bijbel (Genesis 1 en 2) begint met het
scheppingsverhaal: we zijn door God geschapen, punt uit. In het wereldbeeld van Aristoteles
staat de aarde (en daarmee de mens) in het middelpunt van het heelal en alles draait daar
letterlijk omheen. Toch was het al de Griekse wijsgeer Epicurus (geb.341 v Chr.) die sprak
over talloze 'werelden' buiten dat van ons. Tot halverwege de 16e eeuw bleef men aan het
wereldbeeld van Aristoteles vasthouden: de aarde als middelpunt van het heelal met de mens
daarop als uniek, enige levend (intelligent) wezen in het heelal. Het was Copernicus (14731543) die de zon in middelpunt van het heelal plaatste. Nu weten we dat de zon (met haar
planeten) weer een onderdeel is van ons melkwegstelsel (met honderden miljarden sterren) en
naast ons melkwegstelsel er nog (vermoedelijk) honderden miljarden dergelijke stelsels
bestaan.
Is er leven (geweest) -buiten de aarde- in ons zonnestelsel ?
De vraag naar eventueel buitenaards leven houdt ons (en vooral astronomen) nog geen 100
jaar echt bezig. Hierbij 'kijken' we uiteraard eerst binnen ons eigen zonnestelsel, bestaande uit
9 ( nu 8 , Pluto is sinds dit jaar afgevallen) planeten waarvan de meeste weer omringd zijn
door manen , en verder planetoïden, kometen, meteoren. Daarbuiten bevindt zich de z.g.
'Kuipergordel.
Men is het er wel over eens dat er aan het bestaan van leven toch wel eisen worden gesteld.
Vloeibaar water is misschien wel de belangrijkste. Toch zijn, vooral de laatste tijd de
condities voor het bestaan van leven steeds ruimer geworden. Er is leven mogelijk gebleken
in z.g. black smokers, op zeer grote diepte van de oceaan, in hete zwavelhoudende geysers,
diep (3,5 km) onder de grond bij zeer hoge druk in een zuurstofloze atmosfeer, in zwaar
radioactie koelwater van kernreactoren. Voor diegenen die 26 oktober vorig jaar hierover (op
VESTA) een lezing hebben bijgewoond niets nieuws. De eerste levensvormen op aarde (zie
VESTA 78 pg 7) ontstonden (3,8 miljard jaar geleden) ook in een -aanvankelijk- zuurstofloze
atmosfeer.
In ons zonnestelsel komen Mars, de Jupitermanen Europa en Ganymedes en de Saturnusmaan
Titan in principe in aanmerking. Venus, lange tijd ook als kandidaat beschouwd viel pas af in
de zestiger jaren toen uit de eerste Venusmissies deze planeet een hels oord bleek te zijn (zie
VESTA75) De (nu nog lopende) missies naar (en op) Mars en Titan (zie VESTA's vanaf 72)
zijn vooral voor het onderzoek naar eventueel leven bedoeld. Tot nu toe nog zonder resultaat.
Ook is er bij meteorieten naar levensvormen gezocht. De Marsmeteoriet Allan Hills
veroorzaakte veel commotie (VESTA 73 pag. 6): eindelijk leven ontdekt ! Helaas loos alarm.
Tot nu toe is er binnen ons zonnestelsel dus nog geen enkel bewijs voor buitenaards leven
gevonden.
4
Is er leven buiten ons zonnestelsel ?
Aan sterren geen gebrek. Ons (eigen) melkwegstelsel telt al 100 miljard (1011)sterren.
Buiten ons melkwegstelsel bestaan (naar schatting) 300 miljard sterrenstelsels.
Al hebben deze stelsels gemiddeld maar 300 miljoen sterren dan leert een simpel
rekensommetje:
totaal 3x.0,3.10(11+11) = 1022 sterren !
Onderzoek naar eventuele planeten daarvan (z.g. exoplaneten) heeft een groot probleem: de
immense afstanden.
De dichtst bij zijnde ster is nog altijd 5 lichtjaar van ons verwijderd. Leven kan uitsluitend
plaats vinden op hemellichamen enigszins vergelijkbaar aan onze aarde, planeten dus (of
manen daarvan).
Kunnen andere sterren (zoals onze zon) planeten bezitten ? Ongetwijfeld ! Echter ... door de
enorme afstanden zijn deze onmogelijk (direct) waar te nemen. Het op die afstand toch al zeer
zwakke licht van een eventuele planeet licht wordt volkomen overstraald door het licht van de
moederster.
De zoektocht naar eventueel buitenaards leven is in drie onderdelen te splitsen:
I.
Onderzoek naar exoplaneten
II.
Het trachten op te vangen van signalen uitgezonden door andere intelligentsia dan
wijzelf, het zg SETI- project (Search for Extra Terrestrial Intelligence)
III.
Het zelf uitzenden van signalen (in de hoop dat deze opgevangen en beantwoord
zullen worden).
I
Exoplaneten.
Ondanks de enorme afstanden zijn er toch methode's om indirect de aanwezigheid van
exoplaneten waar te nemen.
A
Meting van variatie in radiële snelheid van een ster.
Ster en (een eventuele) planeet draaien om hun gemeenschappelijk zwaartepunt. Per
planeetomwenteling zal de ster dus een keer (iets) naar ons toe bewegen (als de planeet zich
van ons af beweegt) en (na een halve omwenteling) van ons af. Zie figuur 3
De snelheidscomponent van de ster in de richting van de aarde (de z.g. radiële snelheid) kan
worden vastgesteld uit de verandering van de spectraallijnen. T.g.v. het Dopplereffect zullen
deze lijnen afwisselend iets naar het blauw (planeet aan onze kant) en iets naar het rood
verschuiven.
Bedenk wel dat deze verschuivingen uiterst minimaal zijn: een snelheidsvariatie van bv.
300m/s (al vrij veel) is t.o.v. de lichtsnelheid (300.000km/s) slechts een miljoenste deel !
Uiterst gevoelige spectrometers zijn vereist. Sinds ± 1950 is men gaan speuren. In 1963
meende men de eerste z.g. exoplaneet bij de ster van Barnard (op 6 lichtjaar afstand)
gevonden te hebben. Uit nader onderzoek (in 2001) bleek dit loos alarm !
Pas in 1995 werd bij de ster 51 Pegasi (d.w.z. de 51e ster in het sterrenbeeld Pegasus) 'weer'
een planeet ontdekt. Of zou het om een dubbelster gaan ? Men was voorzichtig geworden. Uit
o.a. metingen van chromosfeer en röntgenstraling bleek dat niet het geval. Ook uit ander
onderzoek daarna werd het bestaan van deze planeet bevestigd. De eerste exoplaneet is dus
pas 12 jaar geleden ontdekt
Uit de 'wiebeling' ( snelheidsvariatie) van de ster kon de massa van de planeet bepaald
worden: Bij deze eerste exoplaneet: 0,5xM.Jupiter. Bedenk wel: dit is de minimale massa: de
radiële snelheid is altijd kleiner dan de werkelijke snelheid.
5
Zou de planeet in een vlak loodrecht op de gezichtslijn draaien dan is de radiële
snelheidsvariatie zelfs nul. Zie ook figuur 1
Daar de helling van de baan (t.o.v. de gezichtslijn) meestal niet bekend is, is de werkelijke
massa dan ook niet te bepalen. Genoemde planeet (51 Peg b) draait in 4,2 dagen rond de ster
en staat dus zeer dicht bij de moederster en heeft derhalve een (zeer) hoge temperatuur.
Planeten met een massa vergelijkbaar met Jupiter en een (zeer) hoge temperatuur worden dan
ook wel 'hete Jupiters' genoemd. Van de tot nu toe gevonden planeten zijn ± 40 % hete
Jupiters en bijna allemaal gasbollen met massa's tussen 0,1 en 10x M.Jupiter. Bedenk wel dat
hoe zwaarder de planeet en hoe dichter bij de ster hoe sterker de wiebeling. Deze planeten
zullen dus het eerste ontdekt worden. (Ze hebben een snelheidsvariatie van ± 100m/s)
Figuur 1
Sinds 1995 werd het exoplaneet onderzoek geïntensiveerd. Spectraalmeters werden steeds
gevoeliger.
Snelheidsvariaties van enkele meters per seconde kunnen al gemeten worden.
Het aantal gevonden exoplaneten is dan ook exponentieel toegenomen. Nu kennen we er al
± 250 !
Zie ook figuur 2.
figuur 2
6
B
Meting van lichtvariatie t.g.v. planeetovergang.
Er bleek nog een methode om exoplaneten op te sporen maar dit betreft alleen die
exoplaneten die voor de ster langs bewegen.
(Denk bv aan een z.g. 'Venusovergang') Hoe groter de planeet en hoe dichter bij de ster des te
groter de kans op een 'planeetovergang' ster.
November 1999 werd de eerste planeet op deze manier
ontdekt bij ster HD 209458, niet ver van 51 Peg. De
lichtverzwakking was 1,7% (wel 'iets' meer dan bij een
Venusovergang !) Zie figuur 3
Ook deze methode heeft behoorlijk bijgedragen aan het aantal
ontdekte exoplaneten.
Lichtcurve OGLE-2005 juli augustus 2005
figuur 4
figuur 3
Het gebied waarin sterren zich bevinden waarbij (m.b.v. methode A en/of B) naar
exoplaneten wordt gezocht bevindt zich binnen een straal van ± 200 lichtjaar.
C
Meting lichtvariatie van (achtergrond)ster m.b.v. microlenseffect
Toch worden er exoplaneten gevonden welke op veel grotere afstand staan zoals in de halo
van ons melkwegstelsel (dus op meer dan 100.000 lichtjaar) dankzij het z.g. microlenseffect.
Zie figuur 5.
Deze exoplaneten zijn min of meer bij toeval ontdekt in het kader van het z.g. MACHOproject.
MACHO staat voor MAssive Compact Halo Object.
De 'waarneembare' massa in het heelal blijkt maar 4% van de totale massa te zijn
Het overige deel bestaat uit z.g. donkere materie (± 20 %), de rest is 'donkere energie' (Zie
ook VESTA 's 39 en 74) Dat er meer massa moet zijn dan de waarneembare wordt afgeleid
uit de bewegingen van sterren en sterrenstelsels. Bij de zoektocht naar donkere materie in de
halo van ons melkwegstelsel kijkt men naar lichtvariaties bij achtergrondsterren, in het
bijzonder die van de Grote Magelhaense wolk.
7
De lichtvariatie treedt op als een MACHO tussen de ster en de aarde komt. Er is dan sprake
van een micro-lenseffect
Juli 1998 is een bijzondere lichtvariatie bij een achtergrondster waargenomen. (Zie ook figuur
4.)
In de lichtcurve trad een kleine extra piek op die verklaart moest worden omdat om de
voorgrondster een planeet draaide !
Van de 170 exoplaneten , januari 2006 ontdekt, waren er 3 d.m.v. het microlenseffect
gevonden.
De kleinste daarvan had een massa van ±5x M.aarde en daarmee de kleinste tot dat moment!
Recordhouder daarvoor was Gliese 876 met een massa 7,5x M.aarde.
NB: Gliese heeft een lijst opgesteld van “nabije” sterren en deze genummerd.
Figuur 5
Hoe groot is de kans op buitenaards leven op exoplaneten ?
Er zijn op dit moment al wel zo'n 250 exoplaneten gevonden maar de brandende vraag is
uiteraard: is er ook kans op leven op deze exoplaneten? Zowel aan de 'moederster' als aan de
eromheen draaiende planeet moeten toch wel minimale eisen gesteld worden.
Niet alleen 'dode' sterren maar ook instabiele en variabele sterren vallen af. Sterren meer dan
anderhalf maal zo zwaar als de zon 'leven' te kort om intelligent leven te doen ontstaan (Op
aarde was daar ± 4 miljard jaar voor nodig). De temperatuur van de ster mag ook niet te laag
(of te hoog) zijn. Een ster vergelijkbaar met onze zon is natuurlijk ideaal. En wat de planeet
betreft, z.g. 'hete Jupiters' vallen af (temperatuur veel te hoog) . De baan mag ook niet al te
excentrisch zijn: de temperatuurschommelingen worden daardoor te hoog.
Tot nu toe zijn vooral zware planeten (met massa's zoals Jupiter en Neptunus) gevonden,
maar dat is ook logisch. De variaties in radiële snelheid van lichte (en dus ook aardachtige)
planeten zoals onze aarde is (tot nu toe) vaak te gering om waargenomen te kunnen worden.
8
Moeten we gaan wanhopen ? Neen ! Dankzij een zeer nauwkeurige spectrograaf -meet
(doppler)snelheden van minder dan 1m/s!- op de ESO sterrenwacht in Chili, is dit
voorjaar een planeet ontdekt met een massa 5x aardmassa bij Gliese 581 (20,5
lichtjaar afstand). Alhoewel de omloopstijd (13 d) en daarmee de afstand tot de ster
(11 miljoen km) veel minder is dan 1 AE (150 miljoen km) is Gliese 581 als rode
dwergster veel koeler dan de zon. Daardoor zou (heel belangrijk!) aan het oppervlak
vloeibaar water kunnen voorkomen. Bij deze ster waren al eerder twee andere
planeten ontdekt met 8 en 15 aardmassa's
Genoemde planeet is de tot nu toe lichtste bekende exoplaneet
NB: In de omgeving van de zon bestaan 80% van alle sterren uit rode dwergsterren. Deze
hebben een massa van 1/3 M.zon en een helderheid van 1/50 t.o.v. de zon.
Mei 2007 waren er 242 exoplaneten bekend:
236 rond gewone sterren waarvan
55 met een meervoudig planeetsysteem
(zoals upsilon Andromeda, zie figuur 6)
4 rond pulsars
1 bij een bruine dwerg (zie hieronder)
1 zonder binding aan een ster
Drie sterren hebben zowel een planeet als
een bruine dwerg als begeleider
figuur 6
schaal in AE's (1AE=afstand aarde-zon)
Planeten die voor een ster langs gaan hebben een extra voordeel. Hebben deze planeten een
dampkring dan zal, doordat een deel van het sterlicht daardoor geabsorbeerd wordt, een
absorptiespectrum daarvan waargenomen kunnen worden. Dit is voor het eerst gelukt, m.b.v.
een spectrometer a/b van de Hubble Telescoop bij ster HD 209458, de eerst gevonden
exoplaneet die voor een ster langs trekt. De atmosfeer bestaat vnl. uit waterstof, verder bleek
de aanwezigheid van Na, koolstof en zuurstof.
Deze planeet is echter een z.g. hete Jupiter met een oppervlaktetemperatuur van 1000K .
Leven zal op deze planeet dus zeker niet aanwezig zijn.
Zoals u weet, bestaat het z.g. asgrauwe licht van de maan uit zonlicht, teruggekaatst door de
aarde (en via de maan dus weer terug naar aarde). Uit emissie- en absorptiebanden van dit
licht kan dus de samenstelling van de aardatmosfeer worden bepaald. Zo vond men bv.
chlorofyl, de stof die kleur aan bladgroen geeft.
Zo zou men dus uit de atmosfeer van (aardachtige) exoplaneten ook tot bestaan van leven
kunnen concluderen.
Het aantonen van leven - en zeker intelligent leven !- op exoplaneten zal een moeizame zaak
worden.
II
Sinds 1960 probeert men signalen, uitgezonden door buitenaards (intelligente)
wezens, op te vangen met enorm grote radiotelescopen. Belangrijk daarbij is de
golflengte waarop men zoekt. Golven kleiner dan 3 cm en groter dan 30 cm worden te
veel geabsorbeerd. Begonnen werd met een 26m telescoop bij 21cm (waarbij neutraal
waterstof straling uitzend), het z.g. OZMA project. Bij het OZMA II project werd een
9
reflector van 91 m gebruikt Gezocht werd bij 650 'zonachtige' sterren (op ± 75
lichtjaar). Nu maakt men gebruik van de reusachtige 305 meter Arecibo-telescoop
(Puerto Rico)
Ook al zouden deze 'beschavingen' niet bewust (zoals wij, zie III) signalen uitzenden, men
hoopt eventueel radiosignalen 'voor eigen gebruik' op te vangen.
III
Zoals wij hopen (ooit) signalen, (al of niet bewust) uitgezonden door buitenaardse
wezens op te vangen, zo worden vanaf de aarde (al sinds 65 jaar) signalen het heelal
ingestuurd, in de hoop dat deze opgevangen en 'beantwoord' zullen worden. Men heeft
zelfs satellieten (met diverse aardse tekens ed.) het heelal ingestuurd. Of deze ooit
opgevangen zullen worden ??
Uiteraard (zeer) belangrijk is de richting waarin men zoekt (bij I en II) of stuurt (bij III).
Zo is er door (een zekere) Margaret Turnbull (in 2003) een lijst van 17.129 'habitable'
(bewoonbare) sterren opgesteld waaruit (in 2006) een top 5 is samengesteld.
Toekomstplannen.
Alhoewel er door diverse astronomen steeds grotere twijfel aan eventueel buitenaards
(intelligent) leven begint te bestaan (hierover meer in volgend VESTAnummer) gaat men
onverdroten door met de zoektocht.
Het SKA (Square Kilometer Aray) bestaat uit een netwerk van relatief kleine antennes (vgl
Lofar in Drente) verspreid over een gebied) van tienduizenden vierkante kilometers. Het
overtreft de gevoeligheid van de beste radiotelescoop met een factor 50 ! Radar, uitgezonden
door een luchthaven van een buitenaardse beschaving (uiteraard binnen ons eigen
melkwegstelsel) zal hiermee opgespoord kunnen worden !
Een ander project is Nasa's TPF (Terrestrial Planet Finder), een grote ruimtetelescoop,
bestaande uit meerdere samenwerkende satellieten.. Hiermee hoopt men aardachtige planeten
letterlijk in beeld te brengen.
De realisering van (de miljarden kostende) TPF is echter zeer twijfelachtig. Amerika zou aan
bemande ruimtevaart (naar de maan of zelfs Mars ?) prioriteit willen geven. (Mijns inziens
dom !)
Bruine dwergen.
Ongeveer gelijktijdig met de 'ontdekking' van de eerste exoplaneet vond de waarneming van
de eerste 'bruine dwerg' plaats. Dit is een hemellichaam te 'licht' voor een echte ster (die t.g.v.
kernfusie zichtbaar licht uitstraalt) en 'te zwaar' voor een planeet. De massa van een bruine
dwerg is minder dan 0,08 zonsmassa's (= 80x M.Jupiter) en meer dan ± 10x M.Jupiter. De
bovengrens wordt bepaald door de omstandigheid dat bij sterren met M < 0,08M.zon geen
kernfusie kan plaatsvinden. De oppervlaktetemperatuur van bruine dwergen bedraagt 2000 K
of minder. Bij het ouder worden zal de bruine dwerg afkoelen (er zijn bruine dwergen met
een temperatuur van 700K). Zwaardere bruine dwergen zijn kouder dan de lichtere. De
warmteontwikkeling is het gevolg van contractie. Door deze 'lage' temperatuur zendt de 'ster'
dus geen zichtbaar licht uit (uiteraard wel infrarode straling). De ondergrens van de massa is
betrekkelijk arbitrair.
NB: Hemellichamen met een massa tussen bruine dwergen en planeten in worden ook wel
Planemo's (Planetary Mass Objects) genoemd.
Door de geringe 'licht'sterkte is directe waarneming vrijwel onmogelijk. De ontdekking
volgde, net zoals bij exoplaneten uit de dopplerbeweging van een ster (die dus behalve
planeten ook bruine dwergen als begeleider kunnen hebben).
10
Men had het bestaan van bruine dwergen al eerder vermoed. Sinds de ontdekking ervan (in
1995) is men nu bezig de gehele hemel (in het IR bij golflengte 2m) in kaart te brengen met
de 2MASS(2 m All Sky Survey).
Hiermee spoort men zowel bruine dwergen als L-type objecten (in lichtkracht zwakker dan de
zwakste M-type rode dwergen) op. NB Bruine dwergen kunnen een bijdrage leveren aan de
donkere materie !
Bruine dwergen worden wel met de bijnaam 'Roques' aangeduid (als ze ontdekt zijn op het
Europese observatorium Roque de los Muchachos). Bruine dwergen kunnen enerzijds
beschouwd worden als bovenmaatse planeten, dus ontstaan uit een stof en materieschijf,
draaiende om een ster, anderzijds als ondermaatse sterren, dus gevormd uit contractie van een
gaswolk (dus niet behorend tot een sterstelsel).
In 1999 is een bruine dwerg ontdekt met een planeet als begeleider (Massa 7x M.Jupiter)
Men vermoedt dat bruine dwergen bijna net zo vaak voorkomen als gewone sterren (maar
door hun lage temperatuur zijn ze veel lastiger waar te nemen). Bruine dwergen als
begeleiders van sterren zijn een uitzondering. Qua evolutie dus te beschouwen als sterren, te
licht om middels kernfusie zichtbaar licht uit te stralen. Tot slot willen we nog een bijzondere
bruine dwerg noemen 2 MASS 1207-3932.
Ze heeft jets (materiestromen, lengte 7 AE), een schijf en een (gas)planeet met
M = 7x M.Jupiter.
Men beschouwde dit als de eerste exoplaneet die rechtstreeks kon worden gefotografeerd
(2004)!
NB: Jets komen ook voor bij (normale sterren) en in actieve stelsels op galactische schaal
(met massa's van miljoenen zonnen).
In het volgende VESTA nummer komen we terug op de (brandende) vraag: zijn we -als
mens- uniek in dit heelal ? Een vorm van I(ntelligenmt)D(esign). Of moeten we (blijven)
geloven dat er nog andere (buitenaardse) beschavingen zullen bestaan.
Ook zullen we een overzicht geven van alle uitstaande onderzoeksprogramma's (naar
buitenaards leven) en diverse theorieën over het ontstaan van bruine dwergen, planeten en
planetenstelsels.
Literatuur:
Belangrijkste informatiebronnen vormen artikelen uit het Informatieblad (meer dan 200 !),
Natuur, (Wetenschap) en Techniek een enkele artikelen uit de NRC (o.a. van de hand van
George Beekman).
Heiloo, juli 2007 Jaap Kuyt
.
11