We kennen allemaal nog wel het kinderverhaaltje “Goudlokje en de drie beren”. We vertellen onze kinderen en kleinkinderen graag hoe Papa Beer’s pap te heet was, Mama Beer’s pap te koud, maar Baby Beer’s pap was precies goed. Het is dan ook niet verwonderlijk dat toen wetenschappers begonnen na te denken over het feit dat de oceanen van de aarde miljarden jaren vloeibaar moesten blijven om leven te laten overleven – de temperatuur van de planeet moest niet te warm en niet te koud zijn, maar precies goed – zij de planeet de eerste “Goudlokje-planeet” noemden.
Bekijk het eens op deze manier: Zoals alle sterren van dit type is onze zon in de 4,5 miljard jaar sinds haar ontstaan geleidelijk helderder geworden. Toen de oceanen zich ongeveer 4 miljard jaar geleden op aarde vormden, was de zon ongeveer 30 procent zwakker dan nu, zodat de planeet veel meer zonne-energie moest vasthouden om te voorkomen dat de oceanen zouden bevriezen. Naarmate de tijd verstreek en de zon meer energie over de aarde uitstortte, veranderde ook de samenstelling van de atmosfeer van de planeet, waardoor de temperatuur werd beïnvloed door het broeikaseffect. Ondanks dit alles lijkt het erop dat de oceanen gedurende de hele geschiedenis van de aarde slechts een paar graden boven het vriespunt zijn gebleven. Niet te koud, en niet te heet.
Om maar een voorbeeld van atmosferische verandering te nemen, we weten dat 3,5 miljard jaar geleden de oceanen van de Aarde de thuisbasis waren van bloeiende kolonies van cyanobacteriën – vergelijkbaar met wat wij groen vijverpuin noemen. In die tijd was er vrijwel geen vrije zuurstof in de atmosfeer, maar de bacteriën gaven zuurstof af als afvalproduct van de fotosynthese (zoals planten dat vandaag de dag nog steeds doen). In het begin werd deze zuurstof verwijderd door chemische reacties, zoals het roesten van ijzer in oppervlaktegesteenten, maar ongeveer 2,5 miljard jaar geleden begon de overvloed ervan toe te nemen in wat sommige wetenschappers de Grote Oxidatiegebeurtenis noemen. Vermoedelijk zijn veel oorspronkelijke bewoners van de planeet die geen zuurstof konden verdragen toen uitgestorven, verdronken in hun eigen afvalproducten. Anderen pasten zich echter aan en waren in staat de zuurstof te gebruiken om de ademhalingscyclus aan te drijven die u en elk ander dier op de planeet vandaag in leven houdt.
In 1978 publiceerde de astrofysicus Michael Hart, toen aan de Trinity University in Texas, een computermodel dat de geschiedenis van de atmosfeer van de Aarde beschreef. In dit model werd de zwakke warmte van de vroege Zon geholpen door een broeikaseffect dat werd veroorzaakt door ammoniak en methaan in de atmosfeer (beide zijn, net als het meer bekende kooldioxide, CO2, broeikasgassen). Naarmate de zon helderder werd, vernietigde de zuurstof die door levende organismen werd geproduceerd deze verbindingen, waardoor het broeikaseffect afnam en zo de toegenomen straling van de zon werd gecompenseerd. Uiteindelijk ontstond onze huidige atmosfeer, met een broeikaseffect dat wordt aangedreven door kooldioxide en waterdamp. In wezen balanceerde de aarde op het randje tussen een op hol geslagen broeikas aan de ene kant en vastvriezen aan de andere kant.
Hartts berekening was vanuit ons standpunt echter het belangrijkst, omdat hij onderzocht wat er zou zijn gebeurd als de aarde op een andere afstand van de zon had gestaan dan nu het geval is. Volgens zijn model zou, als de aarde één procent verder of vijf procent dichter bij de zon had gestaan, het delicate evenwicht dat de oceanen in staat stelde vloeibaar te blijven, verloren zijn gegaan. De beschouwingen over de evolutie van de atmosfeer van onze planeet leidden tot het idee dat er een band rond een ster bestaat waarin de oceanen aan het oppervlak gedurende miljarden jaren vloeibaar kunnen blijven. Deze strook wordt de circumstellaire bewoonbare zone (CHZ) genoemd en is een van de centrale ideeën geworden die wetenschappers aanzetten tot nadenken over leven op exoplaneten.
Imagined Life: A Speculative Scientific Journey among the Exoplanets in Search of Intelligent Aliens, Ice Creatures, and Supergravity Animals
Dit boek is geen hersenspinsel: wetenschappers James Trefil en Michael Summers nemen wat we weten over exoplaneten en het leven op onze eigen wereld en gebruiken die gegevens om hypotheses op te stellen over hoe, waar en welke soorten leven zich zouden kunnen ontwikkelen. Imagined Life is een must-have voor iedereen die wil leren hoe de realiteit van ons universum wel eens veel vreemder zou kunnen blijken te zijn dan fictie.
Buy
Circumstellar Habitable Zones and Habitability
Het eerste wat we kunnen zeggen over CHZs is dat elke ster er een zal hebben. Er zal altijd een band rond de ster zijn, met andere woorden, waar de energiebalans de temperatuur van een planeetoppervlak tussen het vriespunt en het kookpunt van water kan houden. Voor kleine, zwakke sterren is de band smal en dichtbij. Veel van de bekende exoplaneten in de CHZ van hun ster, bijvoorbeeld, staan dichter bij die ster dan Mercurius bij de zon staat. Evenzo is de CHZ van grote, heldere sterren breder en ligt verder weg. Bovendien neemt, zoals hierboven opgemerkt, de energie-output van een ster met de tijd toe, zodat de bewoonbare zone zich naar buiten verplaatst naarmate de ster ouder wordt. Het belangrijke punt is echter dat, omdat elke ster wel ergens een CHZ heeft, we verwachten dat, gewoon bij toeval, sommige planeten zich in die zones gevormd zullen hebben.
Dit gezegd hebbende, moeten we er wel aan toevoegen dat wetenschappers zich de laatste tien jaar of twee jaar zijn gaan realiseren dat de CHZ veel zorgvuldiger bekeken moet worden dan een eenvoudige berekening van de temperatuurbalans toelaat. Zoals de astrofysica Sara Seager van het MIT opmerkt, is er geen enkele garantie dat een planeet in de bewoonbare zone ook werkelijk bewoonbaar is. Er zijn in feite veel factoren die de mogelijkheid van leven op werelden in een CHZ kunnen beïnvloeden.
Naarmate het onderzoek naar exoplaneten vorderde, is het vinden van een aardachtige planeet in een CHZ een soort heilige graal geworden in de astronomische gemeenschap. Maar tegenwoordig beseffen we dat de bewoonbaarheid van een planeet meer inhoudt dan de locatie van zijn baan. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld gekeken naar werelden die zich niet in de CHZ van hun ster bevonden, geen oceanen met vloeibaar water aan het oppervlak hadden, en toch een mogelijke woonplaats waren voor leven en zelfs geavanceerde beschavingen. Overwegingen als deze hebben ertoe geleid dat wetenschappers een veel bredere kijk hebben gekregen op de voorwaarden die nodig zijn voor het ontstaan van leven.
Het type ster in kwestie
Het type ster waar een planeet omheen draait kan belangrijke gevolgen hebben voor de ontwikkeling van leven, zelfs voor planeten in een CHZ. Kleine, zwakke sterren bijvoorbeeld, die rode dwergen worden genoemd en de grootste fractie van de sterren in de Melkweg uitmaken, maken vaak perioden van extreme activiteit door. Sterverschijnselen en uitwerpselen van enorme hoeveelheden geladen deeltjes zouden het leven op een planeetoppervlak erg moeilijk maken, of de planeet zich nu in de CHZ bevindt of niet. In zulke systemen is het waarschijnlijk dat het leven op de oceaanbodem of onder de grond moet blijven om te overleven. In dergelijke situaties wordt de CHZ gewoon irrelevant.
Wetenschappers beginnen af te stappen van het idee dat leven zich moet ontwikkelen en moet blijven bestaan op het oppervlak van planeten. Veel van de huidige argumenten concluderen bijvoorbeeld dat alle levende organismen op Mars onder het oppervlak zullen worden gevonden. Bovendien, als er leven bestaat in ondergrondse oceanen in het buitenste zonnestelsel, zoals in de oceanen van Europa en Enceladus, dan zal dat per definitie onder het oppervlak zijn. Zelfs op aarde lijkt het erop dat er zich onder het planeetoppervlak een grotere biomassa bevindt dan erop. Het intense stralingsmilieu van kleine sterren hoeft de ontwikkeling van leven dus niet uit te sluiten, ook al is het waarschijnlijk onmogelijk om dat leven met onze huidige technologie direct te ontdekken.
Meer massieve sterren daarentegen bieden een gunstiger stralingsmilieu, maar zij kunnen een relatief korte levensduur hebben. In sommige gevallen kunnen ze niet langer dan 30 miljoen jaar leven. Het is onwaarschijnlijk dat iets anders dan eenvoudig microbieel leven zich in zo’n korte tijd op een planeet kan ontwikkelen. Bovendien eindigen zulke sterren hun leven in een enorme explosie, een supernova, die zeker alle planeten in de buurt zou vernietigen. Dus zelfs als het leven zich in de CHZ van zo’n ster zou ontwikkelen, zouden alle sporen ervan worden uitgewist als de ster sterft.
Het is vanwege deze beperkingen dat exoplanetenjagers hun aandacht hebben geconcentreerd op planeten in de CHZ van middelgrote sterren zoals de zon.
De evolutie van de atmosfeer
De tweede bron van complexiteit in de discussie over bewoonbaarheid ontstaat doordat de atmosferen van planeten geen stabiele, onveranderlijke systemen zijn, maar zich in de loop van de tijd ontwikkelen. De Grote Oxidatie van de Aarde is slechts één voorbeeld van zo’n proces.
Voor kleine planeten als Mars speelt de zwaartekrachtsvlucht van de atmosfeer een grote rol. Het werkt als volgt: De moleculen waaruit de atmosfeer van een planeet is opgebouwd, zijn altijd in beweging, en hoe hoger de temperatuur, hoe sneller ze bewegen. Ongeacht de temperatuur zullen er altijd moleculen zijn die sneller bewegen dan het gemiddelde en moleculen die langzamer bewegen. Als de sneller bewegende moleculen voldoende snelheid krijgen en toevallig bewegen in een richting loodrecht op het planeetoppervlak, kunnen zij de zwaartekracht van de planeet overwinnen en ontsnappen in de ruimte.
Hoe groter de planeet, hoe sterker zijn zwaartekracht en hoe gemakkelijker het is om de atmosfeer vast te houden. Op aarde, bijvoorbeeld, zou een molecuul ongeveer 11 km per seconde moeten bewegen om te ontsnappen. Het is belangrijk op te merken dat het moeilijker is zware moleculen tot hoge snelheid op te stuwen dan lichte moleculen. Dit betekent dat lichtere moleculen meer kans hebben om aan de zwaartekracht te ontsnappen dan zware. De aarde, bijvoorbeeld, heeft een grote hoeveelheid van haar oorspronkelijke waterstof en helium – de lichtste leden van haar atmosfeer – verloren, terwijl Mars nog zwaardere gassen zoals zuurstof en stikstof heeft verloren.
Een verwant verliesmechanisme, genaamd fotodissociatie, is bijzonder belangrijk voor watermoleculen. Als er water op het oppervlak van een planeet is, zal er wat waterdamp in de atmosfeer zijn. Ultraviolette straling van de ster van de planeet zal de watermoleculen die zich in het bovenste deel van de atmosfeer bevinden, uiteen doen vallen. De resulterende waterstof, die licht is, gaat verloren door de zwaartekracht, en de zuurstof zal zich verbinden met atomen op het oppervlak en zo verschillende geoxideerde mineralen vormen. Wij geloven bijvoorbeeld dat Mars op deze manier de oceaan verloor die het in het begin van zijn geschiedenis had, en dat de rode kleur van de planeet het resultaat is van de oxidatie (het roesten) van ijzer in zijn oppervlaktegesteenten.
Een ander belangrijk soort verandering betreft kooldioxide, een belangrijk broeikasgas (samen met waterdamp) in de atmosfeer van de Aarde. Telkens als er op aarde een vulkaan uitbarst, komt er diep uit de aardmantel kooldioxide vrij, dat in de atmosfeer wordt gepompt. In een complex proces dat bekend staat als de diepe koolstofcyclus, wordt het kooldioxide opgenomen in de oceaan en opgenomen in materialen zoals kalksteen, waarna het onder andere weer kan worden opgenomen in het binnenste van de aarde. De algemene geologische processen op een planeet kunnen dus van invloed zijn op de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer, en dit zal op zijn beurt van invloed zijn op de temperatuur. Wij geloven dat oceanen aan het oppervlak van Venus in het begin van haar geschiedenis verdampt zouden zijn door de hoge temperatuur van de planeet, een gevolg van haar nabijheid tot de Zon. Venus had dus geen mogelijkheid om kooldioxide uit haar atmosfeer te verwijderen, en bij gebrek aan een diepe koolstofkringloop kreeg de planeet te maken met een ophoping van dat gas in wat bekend staat als een op hol geslagen broeikaseffect.
Deze voorbeelden tonen aan dat veranderingen in de atmosfeer van een exoplaneet – veranderingen die we niet kunnen waarnemen met de huidige telescopische instrumenten – ingrijpende gevolgen kunnen hebben voor haar bewoonbaarheid. Om maar een voorbeeld te geven: een planeet die zich in de CHZ van zijn ster bevindt maar toevallig heel weinig water heeft, zou een op hol geslagen broeikaseffect kunnen krijgen en net zo eindigen als Venus. Van een afstand zou het heel moeilijk zijn om te weten of dit gebeurd is of niet.
Intelligence and Technology
Het feit dat we een vrij goed begrip hebben van hoe en wanneer leven zich ontwikkelde op één Goldilocks wereld (de Aarde) neemt wat van het giswerk weg uit de discussies over de ontwikkeling van leven op dit soort planeten. Hoewel de chemie van buitenaards leven niet gebaseerd hoeft te zijn op hetzelfde systeem dat in het leven op aarde functioneert, is het niet zo’n grote sprong om aan te nemen dat levensvormen op andere Goldilocks-werelden op vergelijkbare wijze afhankelijk zullen zijn van de complexe informatie die in grote, op koolstof gebaseerde moleculen besloten ligt. Koolstof kan sterke, stabiele ketens en ringen van atomen vormen die ideaal zijn voor gebruik als informatiedragende biomoleculen.
Bovendien hoeven we niet uit te gaan van het standaard science fiction sterrenstelsel bevolkt door tweevoetige hominiden die Engels spreken om te begrijpen hoe natuurlijke selectie zou kunnen werken op andere Goldilocks werelden. We kunnen kijken naar de ontwikkeling van intelligentie en technologie op Aarde en mogelijke analogieën trekken naar soortgelijke Goudlokje-planeten in het melkwegstelsel.
Het belangrijkste punt over natuurlijke selectie waar we aandacht aan moeten besteden is dit: het is geen proces dat selecteert op aardigheid of morele waarde. Een oude mop maakt dit duidelijk:
Twee wandelaars in de bergen komen een duidelijk hongerige
grizzlybeer tegen. Een van de wandelaars begint zijn rugzak af te werpen.
De ander zegt: “Wat ben je aan het doen? Je kunt niet sneller lopen dan die beer.”
“Ik hoef niet sneller te lopen dan de beer-ik hoef alleen maar sneller te lopen dan jij.”
Het maakt niet uit of de langzamere loper een aardige man is die oude vrouwtjes aan de overkant van de straat helpt. Natuurlijke selectie maakt het niet uit. Het enige dat telt is dat zijn metgezel sneller is. Dat zijn de genen die de volgende generatie zullen halen.
Life Forms on Goldilocks Worlds
Dus wat zegt dit ons over de soorten levensvormen die zich zullen ontwikkelen op Goldilocks werelden? We zijn bang dat het antwoord niet erg bemoedigend is, want de meest waarschijnlijke uitkomst is dat ze waarschijnlijk niet vriendelijker en aardiger zullen zijn dan Homo sapiens. Als we kijken naar de geschiedenis van onze soort en het verdwijnen van meer dan 20 soorten hominiden die in het fossielenbestand zijn ontdekt, kunnen we geen hoopvolle houding aannemen ten aanzien van de mogelijkheid dat we een geavanceerde technologische soort zullen aantreffen die vredelievender is dan wij. Iedereen die we daar vinden zal waarschijnlijk niet moreler of minder oorlogszuchtig zijn dan wij. Angstaanjagend! Bekijk het eens op deze manier: Als we de geschiedenis van het heelal in één jaar samenvatten, zijn de aarde en ons zonnestelsel gevormd rond Labor Day, en de ontwikkeling van de wetenschap beslaat niet meer dan de laatste paar seconden. Het is uiterst onwaarschijnlijk dat geen andere wezens wetenschap hebben ontwikkeld in het hele “jaar” voordat de Homo Sapiens opdook. De wetten van de fysica en de chemie zijn niet duister of verborgen – elke matig intelligente beschaving kan ze ontdekken. Tenminste enkele van die goudlokje-beschavingen zouden dat moeten doen. Een buitenaardse Isaac Newton moet ergens de aanzet hebben gegeven tot een geavanceerde technologische beschaving. Het meest verontrustende feit is dat we geen bewijs kunnen vinden van zo’n beschaving. Zelfs als er geen sneller-dan-licht warp drive is en wij geen grote vooruitgang boeken in de technologie, dan nog suggereren berekeningen dat in 30 miljoen jaar – minder dan een dag in ons universele jaar – het menselijk ras zich over het hele melkwegstelsel zou kunnen verspreiden. Als wij dit kunnen, dan kan elke andere beschaving die zo geavanceerd is als wij dat ook.
Dus waar zijn die andere beschavingen? Deze vraag is een uitdrukking van wat wel de Fermi-paradox wordt genoemd (genoemd naar Enrico Fermi (1901 tot 1954), een van de belangrijkste natuurkundigen van de 20e eeuw). Iemand noemde hem eens berekeningen die suggereren dat er miljoenen geavanceerde beschavingen in het melkwegstelsel zijn. Fermi dacht even na en vroeg toen: “Waar is iedereen?” Waarom, met andere woorden, zijn ze er nog niet? Waarom ervaren we wat wetenschappers “de Grote Stilte” noemen als het om buitenaardsen gaat?
Wetenschappers en sciencefictionschrijvers, de fantasierijke zielen die ze zijn, hebben vele mogelijke verklaringen aangedragen. Hier zijn een paar van de meest populaire:
- De dierentuin-hypothese: Buitenaardsen hebben de Aarde tot een soort beschermd wildernisgebied verklaard.
- De Star Trek-hypothese: Buitenaardsen hebben een Prime Directive aangenomen die hen ervan weerhoudt zich te bemoeien met zich ontwikkelende beschavingen zoals de onze.
- De paradijshypothese: De buitenaardsen zijn dik en gelukkig in een ideale omgeving en hebben geen interesse in exploratie.
- De vervangingshypothese: Organisch leven is vervangen door intelligente machines (een toekomst die vaak wordt voorzien voor het menselijk ras), en machines hebben geen interesse in contact met organisch leven.
Het probleem is echter dat, terwijl we ons kunnen voorstellen dat elk van deze scenario’s in een paar buitenaardse beschavingen speelt, het echt moeilijk is om een van hen te beschouwen als het onvermijdelijke resultaat van de ontwikkeling van het leven.
Er moeten vele miljoenen planeten ter grootte van de aarde in de CHZs van hun sterren zijn, een vermoeden dat wordt ondersteund door het feit dat we er al een paar dozijn hebben gevonden in onze kleine steekproef van een paar duizend exoplaneten. Dat ze allemaal zoiets als de Eerste Richtlijn van Star Trek zouden aannemen, bijvoorbeeld, is uiterst onwaarschijnlijk. Wij zijn bang dat het meest logische antwoord op de vraag waarom wij niet op de hoogte zijn van het bestaan van geavanceerde buitenaardse beschavingen, is dat deze beschavingen er niet zijn. Voor zover wij kunnen zien, is de enige verklaring hiervoor die afhankelijk is van de natuurwetten er een die afhankelijk is van de werking van natuurlijke selectie.
Dit leidt ons tot een zeer duistere mogelijkheid over het lot van het leven op Goudlokje werelden. Gezien de neiging van natuurlijke selectie om agressieve soorten voort te brengen – soorten zoals Homo sapiens – is het mogelijk dat de hele geschiedenis van het universum in beslag is genomen door het evolutieproces dat intelligente levensvormen voortbracht op de ene Goldilocks planeet na de andere, alleen voor die levensvormen om zichzelf uit te roeien zodra ze de wetenschap ontdekten. Met andere woorden, er zijn misschien een groot aantal beschavingen geweest die ons niveau hebben bereikt, maar zij hebben zichzelf allemaal vernietigd voordat zij de nabije sterren konden koloniseren. Dit doemscenario is een gebruikelijke verklaring voor de Fermi paradox.
Het is een huiveringwekkende gedachte.