15-12-2007
Planeten bij Gliese 581 zouden bewoonbaar kunnen zijn
![]()
Het toonaangevende tijdschrift Astronomy & Astrophysics publiceert deze week twee onafhankelijke onderzoeken naar het planetenstelsel van Gliese 581, waar twee planeten toe behoren die vermoedelijk rotsachtig van aard zijn. Uit de twee onderzoeken blijkt dat beide planeten, Gliese 581c en Gliese 581d, zich daadwerkelijk in de leefbare zone van hun zwakke rode dwergster bevinden - de zone waar vloeibaar water aan het oppervlak kan voorkomen.
Men kent nu bijna 250 exoplaneten - planeten die rondom andere sterren draaien. Het leeuwendeel hiervan bestaat uit Jupiterachtige gasreuzen, waarvan bovendien een groot deel op bijzonder korte afstand tot de moederster staan. In de laatste jaren hebben astronomen echter een aantal planeten ontdekt met minder dan 10 aardmassa's - deze worden tegenwoordig super-aardes genoemd.
In april 2007 maakte Astronomy & Astrophysics de ontdekking bekend van twee nieuwe planeten bij Gliese 581, een zwakke ster uit de M-klasse (oftewel, een rode dwerg). Deze planeten hebben een massa van respectievelijk 5 en 8 aardes, waarmee ze vermoedelijk rotsachtige super-aardes zijn. Dit is echter niet de bepalende eigenschap die de planeten bijzonder maakt - wat pas écht bijzonder is, is het feit dat beide planeten zich vermoedelijk in de leefbare zone bevinden. Dat maakt de twee planeten, die bekend staan als Gliese 581c en Gliese 581d, de eerste eventueel bewoonbare exoplaneten die aan de wetenschap bekend zijn.
In tegenstelling tot Jupiterachtige planeten, die allen kolossale ballen van gas en vloeistof zijn, kennen rotsachtige planeten een extreme diversiteit. Sommige zullen droog en luchtledig zijn, terwijl anderen veel meer water en dampen bevatten dan de aarde. Slechts met de komst van een nieuwe generatie van telescopen zal het mogelijk zijn om de eigenschappen van deze planeten te bepalen, waaronder de inwendige én atmosferische samenstelling. Pas dan zal het mogelijk zijn om de daadwerkelijke bewoonbaarheid van een planeet te achterhalen. Vandaag de dag kunnen we met theoretische onderzoeken echter proberen hetzelfde te bereiken, hoewel de uitkomsten van dit soort onderzoeken uiteraard niet bindend kunnen zijn.
![]()
Gliese 581c, met op de achtergrond de gasplaneten a en b.
Bron: Scienceblogs
Binnen dit raamwerk publiceert Astronomy & Astrophysics binnenkort twee theoretische studies naar het planetenstelsel van Gliese 581. Twee internationale teams onderzoeken de mogelijke bewoonbaarheid van deze twee superaardes, ieder vanuit een andere invalshoek. Om dit te bereiken hebben zij de grenzen bepaald van de leefbare zone van Gliese 581, hetgeen overeenkomt met de zone waar vloeibaar water aan het oppervlak van een planeet kan voorkomen.
Het eerste team heeft de eigenschappen berekend van een planetaire atmosfeer op verschillende afstanden tot de moederster. Als de afstand tussen een planeet en diens moederster te klein is, zal het water op de planeet verdampen. Het resultaat zal dan een Venusachtige planeet zijn, alwaar het leven zoals wij dat kennen (normaal gesproken) niet mogelijk zou zijn. De buitengrens van de leefbare zone wordt gevormd door het gebied waar het broeikaseffect (veroorzaakt door gasvormig kooldioxide) op een planeet onvoldoende zal zijn om de temperatuur aan het oppervlak boven het vriespunt te brengen.
De grootste onzekerheid bij het vaststellen van de grenzen van de leefbare zone bestaat uit het effect die wolken kunnen hebben op de wereldwijde temperatuur, een effect dat momenteel onvoldoende gemodelleerd kan worden. Deze beperkingen zijn ook van toepassingen op het vaststellen van de leefbare zone van de zon - zelfs in het zonnestelsel zijn de precieze grenzen ervan niet goed bekend. De binnengrens bevindt zich bij de zon "ergens" tussen de 0.7 en 0.9 AU, terwijl de buitengrens zich ergens tussen de 1.7 en 2.4 AU bevindt (1 AU is de afstand tussen de aarde en de zon). Figuur 1 illustreert de grenzen van de leefbare zone van de zon, vergeleken met die van Gliese 581.
![]()
Een rotsachtige, waterrijke planeet binnen de leefbare zone van een rode dwergster.
Bron: Astroblogs
Het tweede team heeft een nauwer gebied van de leefbare zone bestudeerd, namelijk het gebied waar fotosynthese zoals dat op aarde mogelijk is. Fotosynthese is de productie van suikers en andere voedingsstoffen vanuit de energie van het zonlicht en vormt op de basis voor de meeste ecosystemen op aarde. De totale productie van biomassa door middel van fotosynthese is (vooral) afhankelijk van twee zaken: de concentratie van atmosferische CO2 én de hoeveelheid vloeibaar water.
Door middel van het toepassen van een thermisch evolutiemodel ("temperatuur geschiedenis") van superaardes, heeft het team de waarschijnlijke kringloop van CO2 berekend: zowel de bronnen (tektonische breuken en vulkanen) als de opslag (het verbruik door verweringsprocessen en bezinking door oceanische processen) ervan. Het belangrijkste aspect van hun model is de voortdurende balans tussen de opslag van CO2 in de oceanen en de afgifte ervan door plaattektoniek en vulkanisme. Deze balans vormt op aarde één van de peilers van de leefbaarheid van onze planeet.
Binnen dit model is de mogelijkheid om een fotosynthetische biosfeer te ondersteunen sterk afhankelijk van de leeftijd van de planeet. Immers, een planeet die te oud is zal onvoldoende actief kunnen zijn, oftewel te weinig gasvormige CO2 afgeven. Dit zal resulteren in het verlies van de bewoonbaarheid van de planeet. Om de grens van de leefbare zone, zoals die wordt weergegeven in Figuur 1, te berekenen is het team uitgegaan van een atmosferische CO2-druk van 10 bar.
Figuur 1 laat dus de grenzen van de leefbare zone zien, zoals deze door beide modellen berekend is. De grenzen van de leefbare zone van de zon wordt, ter vergelijking, eveneens weergegeven. Beide modellen laten iets opmerkelijks zien. Voorheen was men van mening dat Gliese 581c zich binnen de leefbare zone zou bevinden, terwijl Gliese 581d net buiten diezelfde zone zou staan.
Uit de twee recente modellen blijkt echter dat Gliese 581d wel degelijk leefbaar zou kunnen zijn. De grootte en de leeftijd van de planeet maken samen de afgifte van voldoende CO2 mogelijk om de temperatuur van de planeet via het broeikaseffect boven het vriespunt te houden. Gliese 581c zal om dezelfde reden te heet zijn en eerder een super-Venus dan een super-aarde zijn.
![]()
De koolstofcyclus zoals die op aarde is.
Bron: NASA
Nu zullen de omstandigheden om Gliese 581d wellicht te extreem zijn om het ontstaan van complexe levensvormen mogelijk te maken. De planeet staat namelijk in een getijdenslot met zijn moederster, ongeveer zoals de maan in een getijdenslot met de aarde staat. Als gevolg heerst op de ene helft van de planeet het eeuwige duister, terwijl het op de andere helft eeuwig licht zal zijn.
Voorheen dacht men dat dit zou resulteren in een extreem temperatuurverschil tussen de nacht- en dagzijde, maar recente modellen hebben uitgewezen dat krachtige winden in staat om de warmte over beide halfronden van de planeet te verdelen en te verspreiden. Desondanks zullen de omstandigheden op Gliese 581 extreem zijn in vergelijking met die op aarde. Aangezien de planeet zich op de buitengrens van de leefbare zone van diens moederster bevindt, zullen eventueel aanwezige levensvormen moeten leren om te overleven bij een sterk verminderde lichtintensiteit én in een hoogst merkwaardig klimaat.
Figuur 1 illustreert ook de variabele afstand tussen de centrale ster en de planeten c en d, aangezien beide planeten een hoogst excentrische omloopbaan hebben. Bovendien is de gemiddelde afstand tot de moederster dusdanig klein, dat beide planeten een relatief kort "jaar" zullen kennen: 12.9 dagen voor planeet c en 83.6 dagen voor planeet d. Bedenk wel dat de moederster, Gliese 581, dusdanig zwak is dat beide planeten zich alsnog (net wel of net niet) in de leefbare zone bevinden.
Figuur 1 laat zien dat planeet d gedurende zijn omloop de leefbare zone tijdelijk verlaat en weer binnentreed. Desondanks zou de planeet, zelfs onder deze vreemde omstandigheden, alsnog bewoonbaar kunnen zijn - mits de atmosfeer dicht genoeg is. Hoe het ook zij, de "leefbare" omstandigheden op Gliese 581d zouden heel verschillend zijn met de omstandigheden die wij op aarde kennen.
![]()
Structuur van Gliese 581b, die niet in het onderzoek is meegenomen i.v.m. de korte afstand tot de moederster. Planeten met een massa van 10 tot 20 aardes kunnen zowel een rotsachtige superaarde als een Neptunusachtige "ijsreus" zijn. De structuur van de planeet zoals die in beide scenario's zal zijn wordt hier vergeleken met die van Jupiter.
Bron: OKLO
Last but not least is de mogelijke leefbaarheid van beide planeten bijzonder interessant vanuit het oogpunt van de moederster. Deze moederster is een zwakke M-dwerg, een klasse waar 75% van alle sterren in de Melkweg toe behoren. Dit soort sterren leven uitzonderlijk lang (tientallen tot honderden miljarden jaren, veel langer dan de zon - en de zon leeft al behoorlijk lang voor een ster) en blijven gedurende al deze tijd waterstof fuseren, wat resulteert in een hoge stabiliteit.
M-sterren zijn lang beschouwd als slechte kandidaten voor het herbergen van leefbare planeten. Ten eerste zullen alle planeten binnen de leefbare zone in een getijdenslot staan en ten tweede "branden" M-sterren weliswaar rustig, maar kennen ze wel een bijzondere magnetische activiteit - inclusief gewelddadige sterrenvlammen en een hoge uitstoot van rontgen- en UV-straling.
We hebben eerder al gezien dat de eerste factor geen probleem hoeft te zijn. Recente onderzoeken hebben verder uitgewezen dat planeten rondom M-sterren zich tegen de hoge magnetische activiteit kunnen beschermen d.m.v. uitzonderlijk dikke ozonlagen. Nu zijn M-dwergen bijzonder interessant geworden, aangezien eventueel aanwezige planeten dicht bij de ster zullen staan en gemakkelijker te detecteren zijn d.m.v. radial velocity ("wiebelende sterren") en transits (planeetovergangen) dan bij zonachtige sterren het geval is.
Beide studies bevestigen dat Gliese 581c en Gliese 581d belangrijke doelwitten zullen zijn voor toekomstige missies om aardachtige planeten te detecteren, zoals ESA's Darwin en NASA's Terrestrial Planet Finder. De TPF is geschrapt als zelfstandig project, maar een gezamenlijke missie met de ESA behoort nog steeds tot de mogelijkheden en mag zelfs als vrij waarschijnlijk beschouwd worden. De Darwin/TPF zal het mogelijk moeten maken om zelfs de atmosferische eigenschappen te bepalen. Pas dan zal men weten in hoeverre de theoretische modellen die zojuist besproken zijn overeenkomen met de realiteit.
Figuur 1:
![]()
Illustratie van de leefbare zone of habitable zone (HZ) van Gliese 581, zoals door beide wetenschapsteams verkregen is. Het bovenste deel van de illustratie laat de HZ van de zon zien, zoals die vandaag de dag is. De rode lijn geeft slechts de meest extreme buitengrens van de HZ aan, die op 2.4 AU wordt gesteld. Deze grens zou ook op slechts 1.7 AU kunnen staan, of ergens tussen de twee extremen. De groene grenzen geven de grenzen van de fotosynthetische zone aan, zoals berekend is middels het computermodel van het tweede wetenschapsteam.
Het middelste deel van de illustratie laat de limieten van de HZ van Gliese 581 zien, zoals berekend is middels het computermodel van het eerste wetenschapsteam. Het onderste deel van de illustratie laat de grenzen van de HZ van Gliese 581 zien, zoals deze zou zijn bij verschillende leeftijden van het planetenstelsel - respectievelijk 5, 7 en 9 miljard jaar. De meest recente schattingen stellen de leeftijd van Gliese 581 op 7 miljard jaar. De paarse balken bij Gliese 581c en d geven de variabele afstand tot de moederster weer, als gevolg van de excentriciteit van de omloopbanen.
Bron: Astronomy & Astrophysics
(Astrostart)