De mogelijkheid van leven op aquatische planeten

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De meeste planeten die we kennen zijn groter in massa dan de aarde, maar kleiner dan Saturnus. Meestal zijn er onder hen "mini-neptunus" en "superaarde" - objecten die een paar keer massiever zijn dan onze planeet. De ontdekkingen van de afgelopen jaren geven steeds meer redenen om aan te nemen dat superaarde planeten zijn waarvan de samenstelling heel anders is dan de onze. Bovendien bleek dat de terrestrische planeten in andere systemen waarschijnlijk verschillen van de aarde in veel rijkere lichtelementen en verbindingen, waaronder water. En dat is een goede reden om je af te vragen hoe fit ze zijn voor het leven.

De bovengenoemde verschillen tussen ex-aarde en aarde worden verklaard door het feit dat driekwart van alle sterren in het heelal rode dwergen zijn, lichtbronnen die veel minder zwaar zijn dan de zon. Waarnemingen laten zien dat de planeten om hen heen zich vaak in de bewoonbare zone bevinden - dat wil zeggen, waar ze ongeveer dezelfde energie van hun ster ontvangen als de aarde van de zon. Bovendien zijn er vaak extreem veel planeten in de bewoonbare zone van rode dwergen: in de "Goldilocks belt" van de ster TRAPPIST-1 bijvoorbeeld zijn er drie planeten tegelijk.

En dit is heel vreemd. De bewoonbare zone van rode dwergen ligt op miljoenen kilometers van de ster, en niet 150-225 miljoen, zoals in het zonnestelsel. Ondertussen kunnen verschillende planeten zich niet tegelijkertijd vormen op miljoenen kilometers van hun ster - de grootte van zijn protoplanetaire schijf zal dit niet toelaten. Ja, een rode dwerg heeft het minder dan een gele, zoals onze zon, maar niet honderd of zelfs vijftig keer.

De situatie wordt verder gecompliceerd door het feit dat astronomen hebben geleerd om planeten in verre sterren min of meer nauwkeurig te "wegen". En toen bleek dat als we hun massa en grootte relateren, het blijkt dat de dichtheid van dergelijke planeten twee of zelfs drie keer kleiner is dan die van de aarde. En dit is in principe onmogelijk als deze planeten op miljoenen kilometers van hun ster zouden zijn gevormd. Omdat bij zo'n nauwe opstelling de straling van het armatuur letterlijk het grootste deel van de lichtelementen naar buiten zou moeten duwen.

Dit is bijvoorbeeld precies wat er in het zonnestelsel gebeurde. Laten we eens naar de aarde kijken: het werd gevormd in de bewoonbare zone, maar water in zijn massa is niet meer dan een duizendste. Als de dichtheid van een aantal werelden in rode dwergen twee tot drie keer lager is, dan is het water daar maar liefst 10 procent, of zelfs meer. Dat wil zeggen, honderd keer meer dan op aarde. Ze vormden zich dan ook buiten de bewoonbare zone en migreerden daarna pas daarheen. Het is gemakkelijk voor stellaire straling om lichtelementen te beroven van de zones van de protoplanetaire schijf dicht bij het licht. Maar het is veel moeilijker om een kant-en-klare planeet die is gemigreerd van het verre deel van de protoplanetaire schijf van lichte elementen te beroven - de onderste lagen daar worden beschermd door de bovenste. En waterverlies is onvermijdelijk nogal traag. Een typische superaarde in de bewoonbare zone zal niet eens de helft van zijn water kunnen verliezen, en gedurende het hele bestaan van bijvoorbeeld het zonnestelsel.

De zwaarste sterren in het heelal hebben dus vaak planeten waarin veel water is. Dit betekent hoogstwaarschijnlijk dat er veel meer van dergelijke planeten zijn dan zoals de aarde. Daarom zou het goed zijn om erachter te komen of er op dergelijke plaatsen een mogelijkheid is voor de opkomst en ontwikkeling van complex leven.

Meer mineralen nodig

En hier beginnen de grote problemen. Er zijn geen nauwe analogen van superaarden met een grote hoeveelheid water in het zonnestelsel, en bij gebrek aan voorbeelden die beschikbaar zijn voor observatie, hebben planetaire wetenschappers letterlijk niets om mee te beginnen. We moeten naar het fasediagram van het water kijken en uitzoeken welke parameters zullen zijn voor verschillende lagen van de oceanische planeten.

Fasediagram van de toestand van het water. IJsmodificaties worden aangegeven met Romeinse cijfers. Bijna al het ijs op aarde behoort tot groep I_H, en een zeer kleine fractie (in de bovenste atmosfeer) - naar I_C… Afbeelding: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Het blijkt dat als er 540 keer meer water is op een planeet zo groot als de aarde dan hier, deze volledig bedekt zal zijn door een oceaan van meer dan honderd kilometer diep. Op de bodem van dergelijke oceanen zal de druk zo groot zijn dat zich daar ijs van een dergelijke fase zal beginnen te vormen, dat zelfs bij zeer hoge temperaturen vast blijft, omdat het water vast wordt gehouden door de enorme druk.

Als de bodem van de planetaire oceaan bedekt is met een dikke laag ijs, zal vloeibaar water geen contact meer hebben met vaste silicaatgesteenten. Zonder zo'n contact zullen de mineralen erin in feite nergens vandaan kunnen komen. Erger nog, de koolstofkringloop wordt verstoord.

Laten we beginnen met mineralen. Zonder fosfor kan het leven - in de ons bekende vormen - niet bestaan, want zonder fosfor zijn er geen nucleotiden en dus ook geen DNA. Het zal moeilijk zijn zonder calcium - onze botten zijn bijvoorbeeld samengesteld uit hydroxylapatiet, dat niet zonder fosfor en calcium kan. Op aarde ontstaan soms problemen met de beschikbaarheid van bepaalde elementen. Zo was er in Australië en Noord-Amerika op een aantal plaatsen een abnormaal lange afwezigheid van vulkanische activiteit en is er in de bodem op sommige plaatsen een ernstig gebrek aan selenium (het maakt deel uit van een van de aminozuren, noodzakelijk voor het leven). Hierdoor hebben koeien, schapen en geiten een tekort aan selenium, en soms leidt dit tot de dood van vee (de toevoeging van seleniet aan veevoer in de Verenigde Staten en Canada is zelfs wettelijk geregeld).

Sommige onderzoekers suggereren dat de loutere factor van de beschikbaarheid van mineralen de oceanen-planeten tot echte biologische woestijnen zou maken, waar leven, als dat er is, uiterst zeldzaam is. En dan hebben we het gewoon niet over echt complexe vormen.

Kapotte airconditioner

Naast mineraaltekorten hebben theoretici een tweede potentieel probleem van planeten-oceanen ontdekt - misschien zelfs belangrijker dan het eerste. We hebben het over storingen in de koolstofcyclus. Op onze planeet is hij de belangrijkste reden voor het bestaan van een relatief stabiel klimaat. Het principe van de koolstofcyclus is eenvoudig: wanneer de planeet te koud wordt, vertraagt de opname van koolstofdioxide door de rotsen sterk (het proces van een dergelijke absorptie verloopt alleen snel in een warme omgeving). Tegelijkertijd gaan de "voorraden" van koolstofdioxide bij vulkaanuitbarstingen in hetzelfde tempo. Wanneer de gasbinding afneemt en de toevoer niet afneemt, stijgt natuurlijk de CO₂-concentratie. Zoals u weet, bevinden de planeten zich in het vacuüm van de interplanetaire ruimte, en de enige significante manier van warmteverlies voor hen is hun straling in de vorm van infraroodgolven. Kooldioxide absorbeert dergelijke straling van het aardoppervlak, waardoor de atmosfeer enigszins wordt opgewarmd. Hierdoor verdampt waterdamp van het wateroppervlak van de oceanen, die ook infraroodstraling (een ander broeikasgas) absorbeert. Als gevolg hiervan is CO₂ de belangrijkste initiator in het proces van opwarming van de aarde.

Het is dit mechanisme dat ertoe leidt dat gletsjers op aarde vroeg of laat eindigen. Hij laat het ook niet oververhitten: bij te hoge temperaturen wordt koolstofdioxide sneller gebonden door rotsen, waarna ze, door de tektoniek van de aardkorstplaten, geleidelijk in de mantel wegzakken. CO-niveau₂valt en het klimaat koeler wordt.

Het belang van dit mechanisme voor onze planeet kan nauwelijks worden overschat. Stelt u zich eens een storing voor van een koolstof-airconditioner: laten we zeggen, vulkanen zijn gestopt met uitbarsten en leveren niet langer koolstofdioxide uit de ingewanden van de aarde, die daar ooit neerdaalde met oude continentale platen. De allereerste ijstijd zal letterlijk eeuwig worden, want hoe meer ijs op de planeet, hoe meer zonnestraling het in de ruimte reflecteert. En een nieuwe portie CO₂ zal de planeet niet kunnen ontdooien: ze zal nergens vandaan kunnen komen.

Dit is precies hoe het in theorie zou moeten zijn op de planeten-oceanen. Zelfs als vulkanische activiteit soms door de schaal van exotisch ijs op de bodem van de planetaire oceaan kan breken, is er weinig goeds aan. Inderdaad, op het oppervlak van de zeewereld zijn er gewoon geen rotsen die overtollige koolstofdioxide kunnen binden. Dat wil zeggen, de ongecontroleerde accumulatie kan beginnen en, dienovereenkomstig, oververhitting van de planeet.

Iets soortgelijks - waar, zonder enige planetaire oceaan - gebeurde op Venus. Er is ook geen platentektoniek op deze planeet, hoewel niet echt bekend is waarom dit gebeurde. Daarom brengen vulkaanuitbarstingen daar, die soms door de korst breken, veel koolstofdioxide in de atmosfeer, maar het oppervlak kan het niet binden: continentale platen zinken niet naar beneden en nieuwe komen niet op. Daarom heeft het oppervlak van de bestaande platen al alle CO. gebonden₂, die meer kan en kan opnemen, en het is zo heet op Venus dat lood daar altijd vloeibaar zal blijven. En dit ondanks het feit dat, volgens modellen, met de atmosfeer en koolstofcyclus van de aarde, deze planeet een bewoonbare tweeling van de aarde zou zijn.

Is er leven zonder airconditioning?

Critici van "terrestrisch chauvinisme" (de stelling dat leven alleen mogelijk is op "kopieën van de aarde", planeten met strikt terrestrische omstandigheden) stelden meteen de vraag: waarom eigenlijk iedereen besloot dat mineralen niet in staat zouden zijn om door een laag exotisch ijs? Hoe sterker en ondoordringbaarder het deksel is over iets heets, hoe meer energie zich eronder ophoopt, die de neiging heeft om uit te breken. Hier is dezelfde Venus - platentektoniek lijkt niet te bestaan, en kooldioxide ontsnapte uit de diepten in zulke hoeveelheden dat er geen leven uit voortkomt in de letterlijke zin van het woord. Hetzelfde is dus mogelijk met het naar boven verwijderen van mineralen - vaste rotsen vallen tijdens vulkaanuitbarstingen volledig naar boven.

Toch blijft er nog een ander probleem bestaan: de "kapotte airconditioner" van de koolstofcyclus. Kan een oceaanplaneet bewoonbaar zijn zonder?

Er zijn veel lichamen in het zonnestelsel waarop koolstofdioxide helemaal niet de rol speelt van de belangrijkste regelgever van het klimaat. Hier is bijvoorbeeld Titan, een grote maan van Saturnus.

Titanium. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universiteit van Nantes, Virginia Pasek, Universiteit van Arizona

Het lichaam is verwaarloosbaar in vergelijking met de massa van de aarde. Het werd echter ver van de zon gevormd en de straling van het licht "verdampte" er niet van de lichte elementen, inclusief stikstof. Dit geeft Titan een atmosfeer van bijna zuivere stikstof, hetzelfde gas dat onze planeet domineert. Maar de dichtheid van zijn stikstofatmosfeer is vier keer die van de onze - met de zwaartekracht is hij zeven keer zwakker.

Bij de eerste blik op het klimaat van Titan is er een constant gevoel dat het extreem stabiel is, hoewel er geen "koolstof" airconditioner in zijn directe vorm is. Het volstaat te zeggen dat het temperatuurverschil tussen de pool en de evenaar van Titan slechts drie graden is. Als de situatie op aarde hetzelfde was, zou de planeet veel gelijkmatiger bevolkt zijn en over het algemeen meer geschikt voor leven.

Bovendien hebben berekeningen van een aantal wetenschappelijke groepen aangetoond: met een atmosfeerdichtheid die vijf keer hoger is dan die van de aarde, dat wil zeggen een kwart hoger dan op Titan, is zelfs het broeikaseffect van stikstof alleen al voldoende om temperatuurschommelingen te verminderen tot bijna nul. Op zo'n planeet zou dag en nacht, zowel aan de evenaar als aan de pool, de temperatuur altijd hetzelfde zijn. Van zoiets kan het aardse leven alleen maar dromen.

Planeten-oceanen in termen van hun dichtheid bevinden zich net op het niveau van Titan (1, 88 g / cm), en niet de aarde (5, 51 g / cm). Laten we zeggen dat drie planeten in de TRAPPIST-1 bewoonbare zone 40 lichtjaar van ons een dichtheid hebben van 1,71 tot 2,18 g/cm³. Met andere woorden, hoogstwaarschijnlijk hebben dergelijke planeten meer dan voldoende stikstofatmosfeer om een stabiel klimaat te hebben dankzij alleen stikstof. Kooldioxide kan ze niet in gloeiend hete Venus veranderen, omdat een echt grote massa water veel koolstofdioxide kan binden, zelfs zonder enige platentektoniek (kooldioxide wordt geabsorbeerd door water, en hoe hoger de druk, hoe meer het het kan bevatten).

Diepzee woestijnen

Met hypothetische buitenaardse bacteriën en archaea lijkt alles eenvoudig: ze kunnen in zeer moeilijke omstandigheden leven en hebben daarvoor helemaal geen overvloed aan veel chemische elementen nodig. Het is moeilijker met planten en een sterk georganiseerd leven op hun kosten.

Dus oceaanplaneten kunnen een stabiel klimaat hebben - zeer waarschijnlijk stabieler dan de aarde. Het is ook mogelijk dat er een merkbare hoeveelheid mineralen is opgelost in water. En toch is het leven daar helemaal geen Vastenavond.

Laten we eens naar de aarde kijken. Behalve de laatste miljoenen jaren is het land extreem groen, bijna verstoken van bruine of gele vlekken van woestijnen. Maar de oceaan ziet er helemaal niet groen uit, behalve enkele smalle kustzones. Waarom is dat?

Het punt is dat op onze planeet de oceaan een biologische woestijn is. Het leven heeft koolstofdioxide nodig: het "bouwt" plantaardige biomassa op en alleen daaruit kan dierlijke biomassa worden gevoed. Als er CO in de lucht om ons heen is₂ meer dan 400 ppm zoals het nu is, staat de vegetatie in bloei. Als het minder dan 150 delen per miljoen zou zijn, zouden alle bomen sterven (en dit zou binnen een miljard jaar kunnen gebeuren). Met minder dan 10 delen CO₂ per miljoen zouden alle planten in het algemeen sterven, en met hen allemaal echt complexe levensvormen.

Op het eerste gezicht zou dit moeten betekenen dat de zee een echte uitgestrektheid voor het leven is. De oceanen van de aarde bevatten inderdaad honderd keer meer koolstofdioxide dan de atmosfeer. Daarom moet er veel bouwmateriaal voor planten zijn.

In feite is niets minder waar. Het water in de oceanen van de aarde is 1,35 quintiljoen (miljard miljard) ton, en de atmosfeer is iets meer dan vijf biljard (miljoen miljard) ton. Dat wil zeggen, er zit merkbaar minder CO in een ton water.₂dan een ton lucht. Waterplanten in de oceanen van de aarde hebben bijna altijd veel minder CO₂ tot hun beschikking dan terrestrische.

Tot overmaat van ramp hebben waterplanten alleen een goede stofwisseling in warm water. Namelijk, daarin, CO₂ het minst omdat de oplosbaarheid in water afneemt met toenemende temperaturen. Daarom bestaan algen - in vergelijking met terrestrische planten - onder omstandigheden van een constant kolossaal CO-tekort.₂.

Daarom blijkt uit pogingen van wetenschappers om de biomassa van terrestrische organismen te berekenen dat de zee, die tweederde van de planeet beslaat, een onbeduidende bijdrage levert aan de totale biomassa. Als we de totale massa koolstof nemen - het belangrijkste materiaal in de droge massa van elk levend wezen - de bewoners van het land, dan is het gelijk aan 544 miljard ton. En in de lichamen van de bewoners van de zeeën en oceanen - slechts zes miljard ton, kruimels van de tafel van de meester, iets meer dan een procent.

Dit alles kan leiden tot de mening dat, hoewel leven op de planeten-oceanen mogelijk is, het heel, heel lelijk zal zijn. Als de biomassa van de aarde door één oceaan zou worden bedekt, als alle andere dingen gelijk zijn, zou in termen van droge koolstof slechts 10 miljard ton zijn - vijftig keer minder dan nu.

Maar ook hier is het nog te vroeg om een einde te maken aan de waterwerelden. Feit is dat al bij een druk van twee atmosfeer de hoeveelheid CO₂, dat kan oplossen in zeewater, meer dan het dubbele (bij een temperatuur van 25 graden). Met atmosferen die vier tot vijf keer dichter zijn dan die van de aarde - en dit is precies wat je zou verwachten op planeten als TRAPPIST-1e, g en f - kan er zoveel koolstofdioxide in het water zijn dat het water van de lokale oceanen zal beginnen te naderen de lucht van de aarde. Met andere woorden, waterplanten op planeten en oceanen bevinden zich in veel betere omstandigheden dan op onze planeet. En waar meer groene biomassa is en dieren een betere voedselbasis hebben. Dat wil zeggen, in tegenstelling tot de aarde, zijn de zeeën van planeten-oceanen misschien geen woestijnen, maar oases van leven.

Sargasso-planeten

Maar wat te doen als de oceaanplaneet, door een misverstand, nog steeds de dichtheid van de atmosfeer van de aarde heeft? En alles is hier niet zo erg. Op aarde hebben algen de neiging zich aan de bodem te hechten, maar waar daar geen voorwaarden voor zijn, blijken waterplanten te kunnen zwemmen.

Sommige sargassum-algen gebruiken met lucht gevulde zakjes (ze lijken op druiven, vandaar het Portugese woord "sargasso" in de naam van de Sargasso-zee) om drijfvermogen te bieden, en in theorie stelt dit je in staat om CO te nemen₂ uit lucht, en niet uit water, waar het schaars is. Vanwege hun drijfvermogen is het voor hen gemakkelijker om aan fotosynthese te doen. Het is waar dat dergelijke algen zich alleen goed voortplanten bij vrij hoge watertemperaturen, en daarom zijn ze op aarde alleen relatief goed op sommige plaatsen, zoals de Sargassozee, waar het water erg warm is. Als de oceaanplaneet warm genoeg is, is zelfs de atmosferische dichtheid van de aarde geen onoverkomelijk obstakel voor mariene planten. Ze kunnen best CO. nemen₂ uit de atmosfeer, waardoor de problemen van een laag koolstofdioxidegehalte in warm water worden vermeden.

Sargasso-algen. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Interessant is dat zweefalgen in dezelfde Sargassozee aanleiding geven tot een heel drijvend ecosysteem, zoiets als een "drijvend land". Daar leven krabben, waarvoor het drijfvermogen van algen voldoende is om op hun oppervlak te bewegen alsof het land is. Theoretisch kunnen drijvende groepen zeeplanten in rustige gebieden van de oceaanplaneet een behoorlijk "land" leven ontwikkelen, hoewel je daar zelf geen land zult vinden.

Controleer je voorrecht, aardbewoner

Het probleem van het identificeren van de meest veelbelovende plaatsen voor het zoeken naar leven is dat we tot dusverre weinig gegevens hebben waarmee we de meest waarschijnlijke dragers van leven onder de kandidaat-planeten kunnen onderscheiden. Op zichzelf is het concept van "bewoonbare zone" hier niet de beste assistent. Daarin worden die planeten geschikt geacht voor leven die van hun ster voldoende energie ontvangen om op zijn minst op een deel van hun oppervlak vloeistofreservoirs te ondersteunen. In het zonnestelsel bevinden zowel Mars als de aarde zich in de bewoonbare zone, maar bij het eerste complexe leven op het oppervlak is het op de een of andere manier onmerkbaar.

Vooral omdat dit niet dezelfde wereld is als de aarde, met een fundamenteel andere atmosfeer en hydrosfeer. Lineaire weergave in de stijl van "de planeet-oceaan is de aarde, maar alleen bedekt met water" kan ons tot dezelfde waanvoorstelling leiden die aan het begin van de 20e eeuw bestond over de geschiktheid van Mars voor leven. Echte oceaniden kunnen sterk verschillen van onze planeet - ze hebben een compleet andere atmosfeer, verschillende klimaatstabilisatiemechanismen en zelfs verschillende mechanismen om zeeplanten van koolstofdioxide te voorzien.

Een gedetailleerd begrip van hoe de waterwerelden echt werken, stelt ons in staat om van tevoren te begrijpen wat de bewoonbare zone voor hen zal zijn, en daardoor snel gedetailleerde observaties van dergelijke planeten in James Webb en andere veelbelovende grote telescopen te benaderen.

Samenvattend kan men niet anders dan toegeven dat onze ideeën over welke werelden werkelijk bewoond zijn en welke niet, tot voor kort te veel te lijden hadden van antropocentrisme en geocentrisme. En, zoals nu blijkt, van "sushcentrisme" - de mening dat als we zelf op het land zijn ontstaan, dit de belangrijkste plaats is in de ontwikkeling van het leven, en niet alleen op onze planeet, maar ook in andere zonnen. Wellicht zullen de waarnemingen van de komende jaren vanuit dit oogpunt geen steen onberoerd laten.