Van Atacama tot Dwingeloo zoeken sterrenkundigen naar een tweede aarde

Op een berg in de Chileense Atacamawoestijn staat een groep verlaten sterrenkijkers. Het zijn de koepels van de Very Large Telescope, de grootste telescoop op aarde. De nachtelijke hemel boven hen is helderder dan waar ook ter wereld, overal fonkelend licht, maar deze sterrenkijkers zien al wekenlang niets.

De pandemie gaat ook aan dit afgelegen gebied niet voorbij. Er is geen personeel meer om de telescoop te bemannen. De gigantische spiegelkijkers die normaal het heelal in turen zitten opgeborgen in de koepels. Onze ogen naar het universum zijn gesloten.

Wat nog wel werkt: de live webcam die vierentwintig uur per dag in een traag panoramashot over het lege terrein glijdt. De enige herinnering aan menselijke aanwezigheid is een slordig geparkeerd golfkarretje tussen de witte bouwwerken die in het desolate landschap doen denken aan een buitenaardse stad.

Onze ogen naar het universum zijn gesloten

Het was sterrenkundige Ignas Snellen die mij wees op deze blinde ogen naar de sterren. Aan de Universiteit Leiden leidt hij het onderzoek naar exoplaneten, planeten rond andere sterren dan de zon. Zijn data krijgt hij normaal gesproken van de Very Large Telescope – voor ingewijden zoals hij: de VLT. Voorlopig zijn er nog genoeg onverwerkte gegevens om Snellen en zijn team bezig te houden, maar als de grootste ogen van de wereld nog maanden dicht blijven, raken ze door hun data heen en begint het wachten.

Deze plotselinge stilstand staat haaks op de laatste ontwikkelingen in het onderzoek naar exoplaneten, een van de snelstgroeiende onderzoeksvelden in de astronomie. Dankzij steeds geavanceerdere telescopen en ambitieuze missies vinden we planeten alsof het paaseieren zijn, manden vol in die immense zwarte achtertuin. Want één van die verre hemellichamen zou zomaar de tweelingplaneet van de aarde kunnen zijn.

Dat woord, tweelingplaneet, kwam ik voor het eerst tegen in het boek Alles en niets van natuurkundige Stefan Klein. Ik was meteen verkocht. Het romantische idee van een intergalactische wederhelft die op lichtjaren afstand met dezelfde grondstoffen een andere wereld weeft. Een planeet die ons een spiegel kan voorhouden zoals broers en zussen dat doen; je laten zien wat je óók had kunnen zijn met het genetisch materiaal waaruit je ontstond.

Volgens Ignas Snellen zou zo’n spiegelbeeld niet minder zijn dan een filosofische revolutie. Want, zegt hij, als we planeten als de onze vinden zullen we iets fundamenteels over onze herkomst gaan begrijpen. ‘Vergelijk het met de evolutietheorie. Als Darwin maar drie dieren had – een papegaai, een schorpioen en een koe – dan was hij nooit tot zijn grote inzicht gekomen. Bekijk de aarde als dier en je snapt: we hebben aanverwante dieren nodig om te zien wat we zijn in het geheel, om de keten te begrijpen waar wij als planeet onderdeel van zijn.’

Op lichtjaren afstand zullen we waarschijnlijk verwante hemellichamen vinden

In ons eigen zonnestelsel is er geen hemellichaam waaraan we ons kunnen spiegelen. Maar op lichtjaren afstand zullen we waarschijnlijk wél verwante lichamen vinden. Verloren familie die ons doet inzien waar we vandaan komen, hoe we in dit zonnestelsel terechtkwamen en waarom we werden wat we zijn. De kosmische editie van het tv-programma Spoorloos.

Wat we weten van exoplaneten

Dat er rond andere sterren ook planeten cirkelen, was eeuwenlang vooral een theorie. Logischerwijs moesten ze er zijn, maar het bewijs lag ver buiten bereik. Tot er in 1995 een planeet werd waargenomen die met de vlotte omlooptijd van vier dagen om 51 Pegasi draait, een ster vijftig lichtjaar van ons vandaan.

Die waarneming was indirect en kwam tot stand via de zogenoemde wiebelmethode. Een planeet die vanaf de aarde niet te zien is, trekt door haar massa aan de moederster die daardoor lichtjes wiebelt. Sinds het wiebelen van 51 Pegasi zijn er inmiddels meer dan vierduizend exoplaneten ontdekt, dankzij verschillende methodes.

De transitmethode is de meest succesvolle, en ook de meest poëtische. Als exoplaneten voorbij ‘hun’ ster komen, veroorzaakt dat een dip in de straling van die ster. Het is een nauwelijks waarneembare onregelmatigheid, een lichtverlies van rond de 1 procent en meestal zelfs minder.

Een planeet groter dan de aarde is op lichtjaren afstand niet meer dan een ritmische lichtdip, een kosmische knipoog, de kleinst mogelijke schaduw rond een razende zon.

En op die manier zijn er planeten gevonden waar het ijzer regent. Planeten met twee zonnen. Een planeet van diamant. Een zwerfplaneet die, losgeraakt van haar ster, door de ruimte tuimelt. Loeihete gasplaneten. En ook planeten die zich, net als de aarde, bevinden in de zogenaamde Goldilocks Zone. Niet te warm, niet te koud. Een temperatuur waarop water vloeibaar en leven mogelijk is.

Als zo’n planeet genoeg gewicht heeft en de juiste atmosfeer, zou ze zomaar de heilige graal kunnen zijn in het onderzoek naar exoplaneten: ons spiegelbeeld. En het zou kunnen dat de eerste contouren daarvan op dit moment worden uitgetekend in Drenthe.

In Dwingeloo onderzoeken ze de magnetische velden van exoplaneten

In de zoektocht naar onze planetaire verwant hebben we niet alleen ogen, maar ook oren nodig. En nergens wordt zo veel naar het heelal geluisterd als in de dunstbevolkte provincie van Nederland. Op de hei van Dwingeloo bestudeert het Nederlands Instituut voor Radioastronomie (ASTRON) de data van de grootste radiotelescoop ter wereld.

En dus meld ik me op een zonnige dag begin maart bij de receptie van het instituut, in een ruimtelijk gebouw omringd door bos en vlakte. Noordelijk niemandsland zover je kunt kijken. Van de beroemde radiotelescoop, LOFAR, is hier niets te zien, die bestaat uit duizenden met elkaar verbonden antennes verspreid over Europa.

Ik heb afgesproken met astronoom Harish Vedantham, een atletische dertiger met grote wandelschoenen. In een bijna lege werkkamer vertelt hij over de telescoop die hem elke ochtend voorziet van zestig terabyte aan buitenaardse informatie. Om te snappen hoeveel dat is: in zestig terabyte kun je vijftien miljoen liedjes van vier minuten kwijt.

Een magnetisch veld is een basisvoorwaarde voor mogelijk leven

Het meeste onderzoek naar exoplaneten houdt zich bezig met het meten van licht, maar LOFAR meet radiogolven. Ze zijn hier niet alleen op zoek naar nieuwe planeten, maar willen ook het magnetisch veld onderzoeken van de exoplaneten die al in het vizier zijn. Zo’n magnetisch veld is, voor zover we weten, een van de basisvoorwaarden voor mogelijk leven en met een optische telescoop kun je dat niet waarnemen, legt Vedantham uit. ‘De frequentie van de straling is te laag, daarvoor heb je een radiotelescoop nodig.’

‘Elke ster schiet, net als onze zon, plasma de ruimte in, in de vorm van zonnevlammen. Met LOFAR meten we hoe sterk die vlammen zijn en onderzoeken we wat het effect is op de planeten rondom de ster. Zo kunnen we iets te weten komen over de omstandigheden daar. Als een planeet gebombardeerd wordt door zonnevlammen, verkleint dat de kans op bewoonbaarheid. Het duurde jaren om onze techniek echt in de vingers te krijgen en de data goed te kunnen analyseren, maar nu gaat het snel.’

De grootste ontdekking tot nu toe: poollicht in een ver zonnestelsel

Nee, lacht Vedantham, een tweelingplaneet is nog niet in zicht. Dat zal nog ‘jaaaaaren’ duren. Hoeveel jaren? Hij wil zich niet aan een voorspelling wagen. Nou ja, misschien zestig, of vijftig of veertig als we mazzel hebben. Maar het kan ook nog rustig een eeuw duren, zegt hij, voor we weten of er iets ademt en groeit op biljoenen kilometers afstand.

‘We hebben geen idee hoe dat eventuele leven eruitziet, of het volgens dezelfde biologische wetten leeft als wij. We zijn elke dag op zoek zonder precies te weten waarnaar. En met alleen de gegevens van LOFAR kom je er niet. Er zijn zo veel factoren die bepalen of een planeet leefbaar is: de temperatuur, de geologische structuur, de samenstelling van de atmosfeer, de omloopsnelheid rond de ster. Het magnetisch veld is maar één puzzelstukje.’

En dat ene puzzelstukje kost al jaren werk. In de vijf jaar dat er in de data van LOFAR wordt gezocht naar sporen van exoplaneten, is er nog nooit een signaal opgevangen dat direct van zo’n verre wereld afkomstig was. Wat ze wél vonden was een vreemd soort radiogolven afkomstig van een zogenaamde rode dwerg, een ster die kleiner en kouder is dan onze zon.

Het bleek de straling van poollichten, die ontstaan, ook op aarde, door een wisselwerking tussen een ster en zijn planeet. En zo kwam er dankzij LOFAR een gloednieuwe exoplaneet op de radar waarmee we in elk geval één ding delen: aurora’s.

Vedantham veert op als hij erover begint. De doorbraak werd wereldwijd opgepikt en met deze methode verwacht hij de komende jaren nog zo’n honderd van dit soort systemen in beeld te krijgen. Honderd aardachtige planeten. Honderd nieuwe kansen op een kosmische verwant.

Deze zoektocht is zo revolutionair, dat je wel geduld moet hebben

Af en toe een succes, zegt Vedantham, is belangrijk hier in Dwingeloo, want het meeste werk bestaat uit falen. ‘Het duurt eindeloos om vooruit te komen, dat heb je nu eenmaal als je werkt op de buitengrens van de wetenschap. Alles wat we doen is nieuw. Er zijn nergens gebaande paden. Dat is ontmoedigend én inspirerend. Ik troost mezelf met de gedachte dat onze zoektocht zo groot is, zo revolutionair, dat snel succes daar bijna aan af zou doen. Dat het zo ongelooflijk moeilijk is, is deel van de schoonheid.’

De zon schijnt, we besluiten het gesprek wandelend voort te zetten. Op de hei praten we verder over die enorme puzzel en de mogelijkheid van leven buiten ons leven.

Vedantham vraagt me wat mijn voorkeur heeft: alleen zijn in het heelal of weten dat er buiten ons anderen bestaan? Daar hoef ik niet over na te denken. Het idee dat wij, in al die oneindigheid, de enigen zijn die naar de sterren kijken vind ik deprimerend. En een veel te grote verantwoordelijkheid.

Vedantham denkt even na. ‘Het zou waanzinnig zijn als er overal leven blijkt te zijn, maar ik vind het ook wel prima als we nooit iemand vinden en een zeldzaam wonder blijken.’ Het maakt hem niet uit, als hij het antwoord maar mee mag maken.

De kans dat dat gebeurt wordt langzaam groter. Oude waarnemingen van NASA’s ruimtetelescoop Kepler onthulden vorige maand nog een nieuwe planeet met de omvang van de aarde, draaiend in de Goldilocks Zone van haar ster. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie stuurde in 2018 de opvolger van Kepler naar boven voor een nog gedetailleerdere speurtocht. En ook de European Space Agency zoekt ons evenbeeld.

Afgelopen december werd CHEOPS gelanceerd, een Europese ruimtetelescoop die van vierhonderd tot zeshonderd kleine exoplaneten de samenstelling, het gewicht en de dichtheid onderzoekt. Zo kan worden bepaald of het gas- of aardachtige planeten zijn. Die laatste categorie wordt vervolgens verder bestudeerd door ruimtetelescoop PLATO, de opvolger van CHEOPS. Na PLATO komt ARIEL, een ruimtesonde die de atmosfeer van de exoplaneten zal onderzoeken.

Stukje voor stukje wordt zo de interstellaire puzzel aan elkaar gelegd.

In Leiden onderzoeken ze de atmosfeer van exoplaneten

Een paar dagen na mijn bezoek aan Dwingeloo gaan de coronamaatregelen van kracht en ben ik – als vele anderen – weken in de weer met aanpassen, opruimen, opvoeden en niet precies weten wat ik met mezelf aan moet. Terwijl ik me beperk tot de vierkante meters om me heen vind ik mijn troost in tijd- en ruimtereizen. Ik lees de prachtige scifiboeken The Light of Other Days en The Sparrow, word verliefd op de buitenaardse heptapods uit de film Arrival en kijk voor de tweede keer Interstellar, waarin de hoofdpersoon een nieuwe planeet vindt om te verruilen voor de kwijnende aarde. ‘Mankind was born on earth’, zegt hij. ‘It was never meant to die here.’

Met de focus op binnen blijven en het uitreisverbod voelt het bijna onfatsoenlijk om me bezig te houden met exoplaneten lichtjaren van ons vandaan. Maar de tweelingplaneet blijft rondcirkelen in mijn hoofd.

Dus skype ik met sterrenkundige Ignas Snellen, die mij vertelt over de gesloten telescopen en over zijn deel van de exoplanetenpuzzel.

Als een planeet langs een ster trekt, sijpelt er licht van die ster door de atmosfeer van die planeet. Dat licht verandert daardoor van kleur en aan de hand van die kleurverandering kan bepaald worden welke moleculen er in de atmosfeer zitten, bijvoorbeeld koolstofmonoxide, waterdamp of methaangas.

Gassen laten vingerafdrukken achter op het licht, legt Snellen uit. En de meeste afdrukken kunnen worden geanalyseerd. Voor zuurstof lukt dat nog niet en voorlopig werkt deze techniek alleen bij gasreuzen. Dat zijn de grote planeten die voornamelijk uit gas bestaan, zoals in ons zonnestelsel Jupiter en Saturnus. Geen tweelingplaneten, althans, niet de onze.

Om de atmosfeer van kleinere, aardse planeten te onderzoeken is verfijndere techniek nodig. Snellen hoopt dat binnen tien jaar voor elkaar te krijgen. ‘Volgend jaar wordt de James Webb-ruimtetelescoop gelanceerd, daarmee kunnen we van sommige van die kleintjes warmtestraling opvangen. Zo kun je alvast bekijken of ze überhaupt een atmosfeer en gassen hebben.’

In 2026 komt bovendien de Extremely Large Telescope, de opvolger van – jawel – de Very Large Telescope. De spiegelkijkers van de VLT hebben een diameter van 8,2 meter, die van de ELT een diameter van 39,3 meter. Veel beter zicht dus.

Wat onderzoek naar exoplaneten ons over aarde zou kunnen leren

Maar voordat we leven kunnen vinden, zegt Snellen, moeten er eindeloos veel tussenvragen beantwoord worden. Onderweg zullen we dus veel leren. Zo weten we nu al dat ons zonnestelsel niet per se het standaardmodel is. Veruit de meeste sterren zijn rode dwergen. En waar onze gasplaneten de buitenbanen nemen, is dat in veel stelsels precies andersom.

‘Helemaal geen ander leven? Dat kan eigenlijk niet’

We zijn dus maar een variatie op een thema. En Snellen zou het vreemd vinden als zich tussen alle miljarden variaties niets bevindt wat op ons lijkt. ‘De kans is misschien klein en de afstanden zijn enorm, maar helemaal geen ander leven? Dat kan wetenschappelijk gezien eigenlijk niet.’

Een dag later bel ik Vedantham, die net een uurtje vrij heeft van zijn peuterdienst thuis. LOFAR is een van de weinige telescopen die nog opereert tijdens de wereldwijde lockdown. Een radiotelescoop heeft minder fysiek onderhoud nodig dan de optische variant en LOFAR is grotendeels geautomatiseerd. Hij werkt vanuit huis en halve dagen, net als veel van zijn collega’s. Maar elke ochtend komt er – alsof er niets aan de hand is – zestig terabyte aan waarnemingen binnen uit vreemde, verre zonnestelsels.

Correctie 9 mei 2020: ARIEL neemt geen monsters van exoplaneten, maar zal de atmosfeer onderzoeken. LOFAR is niet verspreid over Europa wegens ruimtegebrek, maar om beter te kunnen waarnemen.

Meer lezen?

Illustratie van de Europese raket Ariane, het ruimtevaartuig Orion en de ruimte.

Van gps en betere riolering tot kennis over het klimaat – ruimtevaart levert veel meer op dan we denken Eerst onze eigen zooi opruimen voor we naar een galaxy far, far away gaan, is de portee van kritische vragen door Correspondentleden. Wat zijn de kosten en baten van de Europese ruimtevaart? Waar besteedt de European Space Agency zijn jaarbudget van 5,72 miljard euro aan? Wij brengen het in kaart en ontdekken: er zit veel meer ruimte in ons dagelijks leven dan we beseffen. Lees het artikel van designer Leon de Korte en mij hier terug