Zoektocht naar leven op exoplaneten Darwin Zoektocht naar leven op exoplaneten Merel van ‘t Hoff m.l.r.van.t.hoff@umail.leidenuniv.nl

Darwin Aardachtige exoplaneten: detecteren karakteriseren onderzoeken op leven Sinds de ontdekking van de eerste exoplaneet in 1995 zijn er ondertussen een groot aantal stelsels met planeten ontdekt. Observatietechnieken worden steeds beter zodat binnenkort ook planeten met grootte en massa van de aarde waargenomen kunnen gaan worden. Hiermee hopen wetenschappers fundamentele vragen als ‘Zijn er andere planeten zoals de aarde?’ en ‘Is er leven aanwezig op die planeten?’ te beantwoorden. Inmiddels liggen de plannen op tafel voor een missie met de naam Darwin. De satelliet zal op zoek gaan naar rotsachtige planeten zoals de aarde en deze vervolgens met behulp van spectroscopie karakteriseren. Gekeken zal worden naar kenmerken van leven. Leven: een systeem dat informatie bevat en in staat is toch replicatie en evolutie door willekeurige mutaties en natuurlijke selectie. Bron: NASA

Inhoud Missie Detecteren van exoplaneten Spectroscopische analyse Huidige situatie Verwachtingen

Missie Darwin – A mission to detect and search for life on extrasolar planets. C.S. Cockell, A. Léger, M. Fridlund, T.M. Herbst, L. Kaltenegger, O. Absil, C. Beichman, W. Benz, M. Blanc, A. Brack, A. Chelli, L. Colangeli, H. Cottin, F. Coudé du Foresto, W.C. Danchi, D. Defrère, J.-W. den Herder, C. Eiroa, J. Greaves, T. Henning, K.J. Johnston, H. Jones, L. Labadie, H. Lammer, R. Launhardt, P. Lawson, O.P. Lay, J.-M. LeDuigou, R. Liseau, F. Malbet, S.R. Martin, D. Mawet, D. Mourard, C. Moutou, L.M. Mugnier, M. Ollivier, F. Paresce, A. Quirrenbach, Y.D. Rabbia, J.A. Raven, H.J.A. Rottgering, D. Rouan, N.C. Santos, F. Selsis, E. Serabyn, H. Shibai, M. Tamura, E. Thiébaut, F. Westall, G.J. White. Astrobiology. January/February 2009, 9(1): 1-22.

Missie Twee fasen: Zoeken naar aardachtige planeten 2 jaar 200 sterren < 30 pc verwijderd F, G, K en M spectraaltypen De Darwin missie zal minimaal vijf jaar in beslag gaan nemen en bestaat uit twee fasen. In de eerste fase worden nabijgelegen sterren onderzocht op aanwezigheid van rotsachtige planeten met een massa als dat van de aarde. Deze fase duurt 2 jaar en in die tijd zullen ongeveer 200 sterren (minder dan 30 pc weg) onderzocht kunnen worden. Dit zijn met name zonachtige sterren: F, G, K en M spectraaltypen.

Missie Twee fasen: Zoeken naar aardachtige planeten 2 jaar 200 sterren Karakterisatie aardachtige planeten 3 jaar 25-50 planeten Gedurende de tweede fase zal Darwin spectra verzamelen van de ontdekte planeten. Als er zich per ster één planeet in de bewoonbare zone bevindt zullen er 25-50 planeten onderzocht kunnen worden. Eerder geplande missies zullen deze schatting nauwkeuriger kunnen maken. Afhankelijk van de resultaten kan de missie met 5 jaar verlengd worden om bijvoorbeeld meer M sterren te onderzoeken. Dit zijn de meest stabiele sterren en hebben daarom een goede kans op aanwezigheid van bewoonbare planeten.

Missie Twee fasen: Algemeen astrofysisch onderzoek Zoeken naar aardachtige planeten 2 jaar 200 sterren Karakterisatie aardachtige planeten 3 jaar 25-50 planeten Naast dit hoofddoel, zal 10-20% van de tijd gebruikt worden voor algemener astrofysisch onderzoek, zoals onderzoek naar vorming van sterren, planeten, en sterrenstelsels. Algemeen astrofysisch onderzoek

Detectie Veel aardachtige planeten verwacht Zo goed als alle tot nu toe ontdekte planeten zijn gasreuzen met een massa 20-3000 keer die van de aarde. Modellen laten zien dat bij de vorming van planeten maar een klein gedeelte hiervan uiteindelijk uitgroeit tot een reuze planeet. Dergelijke planeten worden echter rond 7% van de onderzochte sterren gevonden. Verwacht wordt dus dat Darwin een zeer significant aantal aardachtige planeten zal vinden. Bron: C.S. Cockell et al. (2009)

Detectie Detectie in IR (6-20 µm) m.b.v. interferometrie De golflengten die Darwin waarneemt bevinden zich in het IR gedeelte van het spectrum (6-20 um). Bij deze golflengten zijn planeten makkelijker te detecteren evenals een aantal voor het leven kenmerkende stoffen. Om de zwakke emissie van een planeet te kunnen onderscheiden van een ster in het infrarode gedeelte van het spectrum zou in de ruimte een telescoop met een diameter van 100 meter nodig zijn die continu gekoeld wordt. Dit is momenteel nog niet mogelijk en interferometrie is daarom de beste techniek om IR-spectra te verkrijgen van aardachtige planeten.

Detectie Nulling interferometrie Twee telescopen vangen licht op, waarna aan een van de bundels een faseverschuiving van pi gegeven wordt. Langs de optische as vindt nu destructieve interferentie plaats als de bundels samengevoegd worden, terwijl er onder een hoek theta juist constructieve interferentie optreedt. Door de telescopen zo te richten dat de ster langs de optische as ligt kan het licht van de ster uitgedoofd worden waardoor het licht van de planeet onderscheiden kan worden. http://www.darwin.rl.ac.uk/

Detectie Nulling interferometrie Dit is dan het interferentiepatroon dat ontstaat: licht van de ster wordt geblokkeerd, terwijl dat van de planeet wel waargenomen wordt. Door meer telescopen te gebruiken kan een symmetrisch interferentie patroon rond de ster gecreëerd worden. Bron: C.S. Cockell et al. (2009)

Detectie Phase chopping Omdat niet alleen de ster waar om de planeet bij draagt aan het opgevangen licht, maar bijvoorbeeld ook de stofschijf rond de planeet is nulling interferometrie niet voldoende en wordt ook gebruik gemaakt van phase chopping. Hierbij worden twee destructieve bundels ontstaan bij nulling interferometrie gecombineerd met een tegengestelde fase verschuiving (pi/2) en –(pi/2) waardoor twee zogeheten chopped states ontstaan. Deze kunnen samengevoegd worden waarna met een aantal technieken de planeet gelokaliseerd kan worden. Dit proces wordt herhaald over het hele spectrum waarover Darwin kan meten.

Detectie Phase chopping Omdat niet alleen de ster waar om de planeet bij draagt aan het opgevangen licht, maar bijvoorbeeld ook de stofschijf rond de planeet is nulling interferometrie niet voldoende en wordt ook gebruik gemaakt van phase chopping. Hierbij worden twee destructieve bundels ontstaan bij nulling interferometrie gecombineerd met een tegengestelde fase verschuiving (pi/2) en –(pi/2) waardoor twee zogeheten chopped states ontstaan. Deze kunnen samengevoegd worden waarna met een aantal technieken de planeet gelokaliseerd kan worden. Dit proces wordt herhaald over het hele spectrum waarover Darwin kan meten. Bron: C.S. Cockell et al. (2009)

Detectie Non-coplanar of Emma-type X-array

Detectie Non-coplanar of Emma-type X-array Bron: C.S. Cockell et al. (2009)

Analyse Spectroscopische analyse atmosfeer  zoeken naar leven Kenmerken buitenaards leven: Behoefte aan water Koolstofchemie De zoektocht naar leven is gebaseerd op de aanname dat buitenaards leven dezelfde fundamentele kenmerken heeft als het leven op aarde. Dat wil zeggen dat het water nodig heeft en een chemie heeft gebaseerd op koolstof. Deze aanname is nodig omdat er geen andere mogelijkheden van leven bekend zijn tot op heden. Darwin gaat dus op zoek naar planeten waarop water kan bestaan en zal hun atmosfeer onderzoeken op kenmerken van leven.

Analyse Detectie buitenaards leven: Aanwezigheid Ozon: O3 Water: H2O Koolstofdioxide: CO2 Om te weten of een planeet ook daadwerkelijk bewoond is moet er gekeken worden naar eigenschappen die kenmerkend zijn voor biologische activiteiten. De gecombineerde aanwezigheid van O3, H2O en CO2 is het best bestuurde kenmerk van biologische activiteit.

Analyse Het midden IR spectrum van de aarde laat een absorptie zien bij 9,6 um voor O3, bij 15 um voor CO2 en bij 6,3 um voor H2O. Mars en Venus laten alleen de aanwezigheid van CO2 zien. Bron: C.S. Cockell et al. (2009)

Analyse Detectie buitenaards leven: Aanwezigheid O3, H2O en CO2 Methaan: CH4 Ammonia: NH3 Lachgas: N2O Ook de aanwezigheid van methaan en stoffen die vrijkomen bij het fixeren van stikstof , zoals ammonia en lachgas, zijn moeilijk te verklaren in afwezigheid van leven.

Analyse Detectie buitenaards leven: Aanwezigheid O3, H2O en CO2 Aanwezigheid CH4, NH3 en N2O Broeikaseffect Als de samenstelling van de atmosfeer beïnvloed wordt door de aanwezigheid van leven, zal de aanwezigheid van broeikasgassen zodanig zijn dat er een leefbaar klimaat op de planeet is. Ongeacht de aard van deze broeikasgassen zal Darwin hun effect zien door de uitgezonden warmte straling van de planeet te onderzoeken.

Huidige situatie Meeste technologie goede vooruitgang Aandachtsgebieden: In formatie vliegen Nulling interferometrie in 6-20 μm De meeste technologieën die nodig zijn voor de Darwin missie zijn onderzocht en er is significante vooruitgang geboekt. Het in formatie laten vliegen van de 5 ruimtevaartuigen en het uitvoeren van nulling interferometrie bij 6-20 um hebben echter nog wel wat aandacht nodig. Er zijn echter missies gepland waarbij het in formatie vliegen getest wordt en onderzoek naar interferometrie wordt voortgezet.

Verwachting Verdere ontwikkeling nodig Aardachtige planeten verwacht Leven zoals op aarde zoeken Als het lukt de benodigde technologieën voldoende te ontwikkelen en er geld beschikbaar blijft kan de missie hopelijk voor het eind van het volgende decennium beginnen. Modellen voorspellen de talrijke aanwezigheid van aardachtige planeten, hopelijk is het met deze technologie mogelijk ze te detecteren en de atmosferen te onderzoeken. Het zoeken naar leven zal gebeuren aan de hand van de kenmerken van leven op aarde. Mogelijk worden andere levensvormen hierdoor niet ontdekt. Bovendien kunnen maar weinig 50 planeten onderzocht worden. Er moet dus nog wel wat gebeuren, maar mogelijk weten we over 15 – 20 jaar dat onze planeet niet de enige bewoonde wereld is.