Heeft planeet Trappist-1e een dampkring?

„Er zijn twee mogelijke uitkomsten, en beide zijn enorm”, zegt sterrenkundige Natalie Allen in een videogesprek vanaf de Johns Hopkins Universiteit in Baltimore. Naast haar knikt Nestor Espinoza, haar promotor en medeleider van hun onderzoeksteam. Ze werken aan een van de meest ambitieuze projecten van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST): de zoektocht naar een atmosfeer rond de rotsplaneet Trappist-1e. De eerste vier waarnemingen zijn inmiddels binnen en twee artikelen verschenen, maar de grootste vraag – heeft deze planeet een atmosfeer? – blijft vooralsnog onbeantwoord. Nog eventjes, niet lang meer. Vijftien nieuwe Webb-waarnemingen moeten komend jaar de knoop doorhakken.

Exoplaneten (planeten rond andere sterren dan de zon)  komen rond bijna elke ster voor, afgelopen jaren zijn er duizenden gevonden. Het Trappist-1-systeem geldt daarbij als een van de meest tot de verbeelding sprekende vondsten. Het is een miniatuurkopie van ons zonnestelsel: zeven planeten, alle ongeveer zo groot als de aarde, die rond een kleine rode dwergster cirkelen. In ons eigen zonnestelsel zou het hele systeem binnen de baan van Mercurius passen. Het stelsel werd in 2017 ontdekt met Trappist, een koppel telescopen ontwikkeld in België (vandaar de naam; de opvolger heet Speculoos). De wereld reageerde euforisch. Als ergens in de kosmos een tweede aarde te vinden was, dan moest het hier zijn.

Kroonjuweel

Binnen dat compacte systeempje geldt Trappist-1e als het kroonjuweel: iets kleiner dan de aarde en gelegen in de ‘bewoonbare zone’, de gordel rond een ster waar vloeibaar water kán voorkomen. De term garandeert geen bewoonbaarheid; dat hangt af van de aanwezigheid van een atmosfeer, die bepaalt hoeveel warmte een planeet vasthoudt en hoe het klimaat eruitziet. Ons eigen zonnestelsel laat dat treffend zien. Venus, aarde en Mars liggen alle drie in de bewoonbare zone, maar kunnen nauwelijks verschillender zijn. Venus heeft een dikke atmosfeer, het oppervlak is gloeiend heet. Mars heeft zijn lucht grotendeels verloren en is een kale rotswoestijn. En de aarde? Zonder atmosfeer zou het hier gemiddeld zo’n twintig graden onder nul zijn. Pas met een stabiele, beschermende atmosfeer wordt een planeet een potentieel leefbare wereld.

De ster Trappist-1 met haar zeven planeten (alle vergelijkbaar qua grootte met de aarde).

Illustratie NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

Zoom in

Trappist-1e draagt daarom een bijzondere last. Niet omdat onze hoop op het vinden van buitenaards leven ervan afhangt, maar omdat deze wereld een testgeval is: kunnen kleine rotswerelden rond rode dwergsterren hun atmosfeer behouden? Mede-onderzoeksleider Espinoza formuleert het onomwonden: „This is it. Dit is hét sleutelsysteem waarmee we deze vraag kunnen testen.”

Trappist-1 is een rode dwergster, het meest voorkomende stertype in de Melkweg. Rode dwergen zijn klein (Trappist-1 is ongeveer zo groot als de planeet Jupiter), koel en tien keer talrijker dan zonachtige sterren. Juist daardoor zijn ze geliefde doelen voor planetenjagers: bij een kleine ster laat zelfs een dunne atmosfeer een merkbare schaduw achter.

Van de bijna vierhonderd bekende planeten rond rode dwergen ligt een groot deel relatief dichtbij de aarde. Hoe dichterbij, hoe meer sterlicht onze telescopen opvangen, en hoe beter we kleine afwijkingen kunnen meten. Trappist-1 staat op een ‘comfortabele’ veertig lichtjaar: dichtbij genoeg om de atmosfeer van een rotsplaneet in principe zichtbaar te maken.

Maar rode dwergen hebben een keerzijde: ze zijn actief. Ze spuwen felle uitbarstingen en UV- en röntgenstraling die een kwetsbare atmosfeer kunnen wegblazen. Bovendien staan planeten er zo dicht op dat ze getijdenvergrendeld raken: één kant eeuwig dag, één kant eeuwig nacht. Alleen een stabiele atmosfeer kan die extremen temperen.

Lakmoesproef

Daardoor vormt Trappist-1e een echte lakmoesproef. Als deze planeet bij deze ster en op deze afstand geen atmosfeer blijkt te hebben – wat betekent dat dan voor al die andere kandidaat-aardes rond rode dwergsterren?

Het bestaan van een atmosfeer rond een verre planeet kan worden vastgesteld via transmissiespectroscopie: wanneer een planeet voor haar ster langsschuift, zeeft haar atmosfeer een minuscuul deel van het sterlicht eruit. Dat ontbrekende licht – soms maar enkele duizendsten van een procent – bevat de vingerafdrukken van moleculen zoals CO2, water of methaan. Om deze flintertjes licht te onderscheiden, wordt de detectielimiet van de ruimtetelescoop opgezocht. Espinoza: „We schrijven onze eigen scripts om de Webb-data te verwerken, want de standaardsoftware is niet bedoeld voor zulke kleine signalen.”

Hoe de Webb-telescoop kan meten of er leven mogelijk is op een verre exoplaneet

In vier stappen wordt uitgelegd hoe dit wordt gemeten.

De eerste vier transits van Trappist-1e leverden een duidelijke niet-detectie op: de karakteristieke ‘bult’ die CO2 in het spectrum zou veroorzaken, ontbreekt. Daarmee wordt een Venusachtige, CO2-rijke atmosfeer zeer onwaarschijnlijk. Ook een ijle Mars-achtige atmosfeer past slecht bij de gegevens. Ana Glidden van het Massachusetts Institute of Technology, hoofdauteur van het artikel over de atmosferische interpretatie zegt: „De observaties sluiten verrassend veel nog niet uit. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat er een oceaan van water bestaat op het oppervlak. Maar we kunnen met vertrouwen zeggen dat een dikke of dunne CO2-atmosfeer niet waarschijnlijk is.” Andere scenario’s blijven wel overeind: een kale rotsplaneet, een stikstofrijke lucht zoals op aarde, of een troebele smogatmosfeer zoals op Saturnusmaan Titan. „Maar ook een bewoonbare planeet behoort nog steeds tot de mogelijkheden”, zegt Glidden.

Illustratie van GJ 1214b, een planeet met een mistachtige atmosfeer.

Beeld NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

Zoom in

In het spectrum verscheen bovendien een klein bobbeltje rond de golflengte waar methaan zich zou kunnen verraden. Dat gas krijgt al snel aandacht omdat het op aarde deels door leven wordt geproduceerd, al zijn er ook volledig natuurlijke, niet-biologische bronnen. Juist daarom kan elk mogelijk methaansignaal buiten ons zonnestelsel een mediastorm veroorzaken – en is uiterste voorzichtigheid geboden. Het team besloot het bobbeltje bewust niet te benadrukken in het persmateriaal. Glidden: „We wilden absoluut voorkomen dat mensen denken dat we methaan hebben gevonden. De kans is groter dat het instrumentruis is, of een restant van het sterspectrum.” Ze wijst erop dat methaan bij dit type planeet snel wordt afgebroken door UV-straling en niet lang genoeg in zulke hoeveelheden kan blijven bestaan om waarneembaar te zijn. „Het is erg onwaarschijnlijk dat dit methaan van de planeet is”, concludeert ze.

Die voorzichtigheid komt niet uit de lucht vallen. In 2023 leidde een zwakke spectrale bult bij de planeet K2-18b tot wereldwijde koppen over mogelijke biosignaturen – waarna collega-sterrenkundigen de claim snel corrigeerden. Onder hen de Leidse astrofysicus Ignas Snellen, die destijds hard aan de bel trok. Nu prijst Snellen de voorzichtige aanpak van het Trappist-1-team. Tijdens het interview ziet hij pas na enig turen het subtiele methaan-bobbeltje in de grafiek: „Oh wacht, er zit inderdaad een klein piekje.”

Volgens Snellen is de terughoudendheid van het team volledig terecht. De metingen zijn op het randje van detecteerbaarheid; atmosferische kenmerken van een duizendste procent gaan schuil tussen instrumentele ruis en de grillen van een actieve dwergster. „Hun aanpak laat zien dat ze goed begrijpen waar de valkuilen zitten”, zegt hij. Precies de bedoeling, zegt Allen: „Zelfs als je iets ziet, is het aan ons om eerst te onderzoeken of het betrouwbaar is, voor we er iets over zeggen.”

Grilligheid ster neutraliseren

De komende vijftien Webb-waarnemingen moeten het spectrum van Trappist-1e veel duidelijker maken. Om de grilligheid van de ster – de grootste hindernis – te neutraliseren, hanteert het team een nooit eerder geprobeerde aanpak: ze gebruiken een andere planeet als ‘masker’. De binnenste planeet, Trappist-1b, die vrijwel zeker geen atmosfeer heeft, dient als referentie. Door haar spectrum te delen door dat van Trappist-1e hopen de onderzoekers de ‘vingerafdruk’ van de veranderlijke ster weg te filteren. Allen: „Als je de twee transits vlak na elkaar meet, vóór de ster tijd heeft om te veranderen, kun je in principe het sterlicht uit het signaal van de planeet verwijderen.”

Het is een gedurfde strategie: een investering van 130 uur Webb-tijd, een astronomisch kostbaar budget. Maar de mogelijke opbrengst is groot. Dit project bepaalt mede hoe ver transmissiespectroscopie kan worden opgerekt en hoe onderzoek naar rode dwergen verder moet.

Het analyseren van de gegevens is uiterst delicaat. Een enkel spectrum van een rotsplaneet kost onderzoekers al maanden werk; nu gaat het om negentien transits met twee verschillende telescoopinstrumenten. Glidden: „We zoeken de limiet op van JWST om elk van de planeet afkomstig signaal op te vangen.” De kleinste fluctuatie in de ster – een vlek, een stervlam, een tikje instrumentruis – kan lijken op een atmosferische handtekening. Allen vult enthousiast aan: „Het wordt de grootste exoplaneetdataset waar we ooit aan hebben gewerkt. Het duurt minstens een jaar om daar alles uit te halen.”

Volgens Snellen wordt de bestaande technologie op de proef gesteld: „Je loopt bij dit soort kleine planeten echt tegen de grenzen aan van wat de James Webb kan.” Nieuwe doorbraken zullen komen van de volgende generatie telescopen, bijvoorbeeld van de European Extremely Large Telescope in Chili, met een reuzenspiegel van 39 meter breed. Daarmee wordt directe beeldvorming mogelijk: het sterlicht wordt zó sterk onderdrukt dat het zwakke licht van een planeet zichtbaar wordt. „Met de ELT kunnen we het sterlicht op de positie van de planeet onderdrukken met een factor duizend of meer”, zegt Snellen. „Dat is een enorme sprong voorwaarts.”

De komende maanden worden beslissend. Zodra de laatste vijftien transits binnen zijn, begint een langdurige analyse. Maar tegen het einde van volgend jaar, verwachten Allen, Espinoza en Glidden, weten we waarschijnlijk of Trappist-1e een atmosfeer heeft – of dat deze zich voorlopig niet laat zien.

Hoe het antwoord ook uitpakt, het verandert het vakgebied. Trappist-1e, de kleine wereld die altijd met dezelfde kant naar haar ster gericht staat, is uitgegroeid tot een van de belangrijkste testbanken voor de vraag die astronomen al decennia bezighoudt: hoe vaak komt een wereld zoals de onze eigenlijk voor? Glidden denkt dat het naïef zou zijn te veronderstellen dat leven alleen op aarde is ontstaan. „De Copernicaanse revolutie leerde ons dat de aarde niet het centrum van het heelal is – en waarom zou het dan de enige plek zijn waar leven kan ontstaan? Er zijn zóveel andere werelden. Pas nu beginnen we echt hun bewoonbaarheid te onderzoeken.”

Schrijf je in voor de nieuwsbrief NRC Wetenschap

Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin

Inschrijven
Uitschrijven

Geef cadeau

Deel

Mail de redactie

NIEUW: Geef dit artikel cadeau
Als NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.

Waarom je NRC kan vertrouwen