2019-03 MIRA Ceti sprak met... Michaël Gillon


Toen het Amerikaanse nieuwsmagazine Time in mei 2017 hun lijst met honderd meest invloedrijke mensen ter wereld bekend maakte, stond er zowaar een Belgische astronoom op die lijst te schitteren, naast illustere Aardbewoners als Vladimir Poetin, Xi Jingpin en andere zwaargewichten uit de wereld van de politiek, cultuur en wetenschap.

Michaël Gillon van het instituut voor astrofysica en geofysica aan de universiteit van Luik is inderdaad een grote naam, het is immers hij die met zijn team in 2015 de ontdekking deed  van een ultrakoele dwergster waarrond een aantal aardachtige planeten draaien, en dit in de leefbare zone. Vervolgonderzoek toonde aan dat het gaat om maar liefst zeven aardachtige planeten.

Aangezien de zoektocht naar planeten buiten het zonnestelsel booming business is in de sterrenkunde en nauw aansluit bij de toch prangende vraag of er ook leven buiten de Aarde bestaat, willen wij u via dit interview graag nader laten kennismaken met het werk van een astronoom die niet alleen erg bekwaam, enthousiast en heel toegankelijk is, maar via de naamgeving van zijn projecten ook blijk geeft van een subtiele zin voor humor. Geeft toe, wie had ooit gedacht om op de Paranal, de berg in Chili waar de momenteel de beste telescoop ter wereld, de Very Large Telescope, opgesteld staat TRAPPIST en SPECULOOS tegen te komen?  

 

Micha%C3%ABl%20Gillon.JPG

 

Mijnheer Gillon, om te beginnen willen wij u namens Volkssterrenwacht MIRA in Grimbergen ook nog eens van harte proficiat wensen met de belangwekkende ontdekking van het exoplanetensysteem rond de ster TRAPPIST-1. Voor ons was het zeker een buitenkans om dit soort onderzoek in de kijker te zetten en het publiek aan onze volkssterrenwacht over uw projecten te informeren.

Dank daarvoor, die belangstelling en waardering doet mij veel plezier. De ruime aandacht in de media en bij het grote publiek is zeker een goede zaak voor de wetenschap in het algemeen en voor de sterrenkunde in het bijzonder. U hoef ik natuurlijk niet te overtuigen dat het heel belangrijk is om met ons verhaal naar jongeren  toe te gaan en hen in contact te brengen met echt wetenschappelijk onderzoek. Via  een positief en enthousiast verhaal zoals dat van TRAPPIST-1 kunnen we hen mogelijk blijvende interesse bijbrengen voor wetenschap en techniek. We hebben die jongeren nodig, want zij zijn immers de wetenschappers en ingenieurs van morgen. En daarom ben ik altijd blij als mensen en zeker ook de schoolgaande jeugd mij contacteren om te komen spreken over mijn onderzoek, hopelijk kan dat inspirerend werken.

 

Wanneer en hoe is uw fascinatie begonnen voor sterrenkunde en wetenschappen?

Aanvankelijk was ik niet zozeer geïnteresseerd in de sterren op zich, het was vooral de vraag of er buitenaards leven zou bestaan die me fascineerde. De eerste film die ik in bioscoop zag was ET, en die ervaring heeft wellicht de kiem gelegd voor die grote vraag die me nog steeds bezighoudt: zijn wij alleen in het universum? En ik heb het geluk dat ik met mijn werk een kleine bijdrage kan leveren in de zoektocht naar een antwoord op die prangende vraag.

 

Vooraleer u doctoreerde in de sterrenkunde behaalde u een diploma in de biochemie. Ziet u uzelf vooral als biochemicus of eerder als astronoom?

Ik ben in de eerste plaats astrofysicus, want dat is mijn beroep. Voorlopig zitten we nog niet in het stadium om aan buitenaardse biologie te doen, maar ik heb inderdaad eerst een vorming genoten als biochemicus vooraleer me in de sterrenkunde te lanceren. Kennis van beide domeinen bezorgt me een complementariteit om me op een deskundige manier met astrobiologie te kunnen inlaten. Het onderzoek naar leven in het heelal, de frequentie ervan, de verschijning van leven op Aarde, enzovoort, dat zijn allemaal vragen die me in hoge mate boeien. Als ik sterren en planeten bestudeer, is dat steeds met het oog van de bioloog die hoopt sporen te vinden die zouden kunnen wijzen op een of andere biosfeer.

 

Vroeger waren ideeën over mogelijk buitenaards leven louter wilde speculaties, tegenwoordig is het serieuze wetenschap geworden?

Aan het eind van de negentiende eeuw had men totaal nog geen zicht op het grote plaatje. Copernicus mag dan wel in de zestiende eeuw de Zon in het midden van ons zonnestelsel gezet hebben, veel meer inzicht dan dat de Zon één van de vele sterren in ons melkwegstelsel was had men niet. Het is pas in 1923 dat Edwin Hubble kon aantonen dat de Andromedanevel een ander sterrenstelsel was, en vanaf dan begon de kosmologie zich te ontwikkelen als een echte wetenschap.

Wat buitenaards leven betreft had men totaal geen onderbouwd idee. Mensen als Giordano Bruno, Isaac Newton en Christiaan Huygens veronderstelden wel dat er ook bij andere sterren planeten moesten zijn, maar de vraag of het mogelijk zou zijn om die te ontdekken was zelfs niet aan de orde.

Als men al dacht aan de mogelijkheid om buitenaards leven te ontdekken, beperkte dat speuren zich tot ons eigen zonnestelsel. En vooral Mars bleek een interessante piste te zijn. Er werd zelfs even gedacht dat er daar intelligente beschavingen actief waren die grote kanalen hadden aangelegd. Maar begin twintigste eeuw begreep men dat dit toch niet het geval was.

Bij de bekommernis om te achterhalen of er ook planeten bij andere sterren zijn, leek het zeker nuttig om zicht te krijgen op de manier hoe ons eigen zonnestelsel was ontstaan. Men hanteerde twee modellen. Het eerste model stelde dat een grote nevel van gas en stof onder zijn eigen gewicht zou beginnen instorten, waarbij in de kern een ster ging ontstaan met daaromheen de rest van het gas en stof in een afgeplatte schijf waarin planeten konden ontstaan. Dat idee dateert van de achttiende eeuw met Kant en Laplace. Het alternatieve model ontstond aan het begin van de twintigste eeuw in antwoord op het nevelmodel. Daarbij ging men uit van een aantal catastrofale botsingen van de jonge Zon met een andere ster. Daarbij zou de Zon een deel materie van die andere ster aangetrokken hebben, die materie zou dan in een schijf rond de Zon zijn beginnen draaien, waaruit ten slotte de planeten zouden ontstaan. Door de enorm grote onderlinge afstanden zijn sterbotsingen een uiterst zeldzaam fenomeen. Dit besef plus de ontdekking dat Mars wellicht een onbewoonde planeet was, had voor gevolg dat men een vrij negatief idee had over het aantal planeten in ons heelal en over de kans op buitenaards leven.

 

Gelukkig kwamen er steeds betere telescopen en andere waarnemingsinstrumenten?

Inderdaad, de technologische vooruitgang en zeker ook de ruimtevaart hebben het mogelijk gemaakt om een veel preciezer beeld te krijgen van de rest van ons zonnestelsel en daarbuiten.

 

A-cartoon-illustrating-four-exoplanet-detection-techniques-Credit-NASA-N-Batalha.png
Copyright: NASA /N. Batalha

 

Bij het bestuderen van dubbelsterren was er een methode om precies de massa en de diameter van die sterren te achterhalen tijdens hun omwenteling om elkaar heen en wanneer die sterren mekaar bedekten. De Russisch-Amerikaanse astronoom Otto Struve die zich veel met deze studie bezighield, stelde na de Tweede Wereldoorlog voor om diezelfde methode te gebruiken bij de zoektocht naar exoplaneten. En zo is het ook precies gegaan, maar pas veertig jaar later. Een ster en een exoplaneet die rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien en een exoplaneet die voor een ster langs schuift waardoor een fractie sterlicht tegengehouden wordt, dat zijn de twee methodes waarmee de meeste exoplaneten ontdekt zijn. Het enige dat ontbrak was voldoende performante technologie om exoplaneten daadwerkelijk te ontdekken in het sterlicht, we hebben dus moeten wachten op uiterst gevoelige spectrografen en CCD-camera’s om dit mogelijk te maken.

En zo is in 1995 de eerste exoplaneet rond een gewone ster ontdekt door de Zwitserse astronomen Michel Mayor en Didier Queloz. Zij deden dat door gebruik te maken van de spectrograaf van het Observatoire de Haute-Provence. In feite waren ze op zoek naar bruine dwergen. Dat zijn objecten die ontstaan zoals sterren, maar met te weinig massa om kernfusie te doen opstarten. Daarom noemt men ze ook mislukte sterren. Op dat moment waren er al enkele bruine dwergen gekend, de twee Zwitsers waren op zoek naar de frequentie van die objecten. In hun waarnemingsgegevens ontdekten ze tot hun verrassing data die wezen op een planeet rond hoofdreeksster 51 Pegasi. Zeker bijzonder was dat het bleek te gaan om een reuzenplaneet van het kaliber van Jupiter, maar in tegenstelling tot Jupiter zelf in een heel dichte baan bij de moederster, en dat gaf aanleiding tot heel wat vragen en twijfels. Maar kort nadien werd de ontdekking van Mayor en Queloz bevestigd door een Amerikaans onderzoeksteam, en dra volgden er andere gelijkaardige ontdekkingen van zogenaamde hete Jupiters dicht bij een ster.

 

SpectCurve.jpg
Spectrum en bewegingen ster 51 Pegasi. Copyright: Mayor/Queloz

 

 

De successen van de Amerikaanse ruimtetelescoop Kepler zijn echt wel overweldigend, nietwaar?

Zeker weten, Kepler heeft heel veel exoplaneten ontdekt, en dat via de transitmethode. De eerste ontdekkingen van exoplaneten waren via het meten van de radiële snelheid, waarbij het sterlicht een dopplerverschuiving vertoont door de verschuiving ten opzichte van het zwaartekrachtscentrum van het systeem. In 2000 werd voor het eerste een transit van een exoplaneet gedetecteerd. En dat is momenteel de meest populaire methode om exoplaneten te ontdekken, en ook de methode waarop wij met TRAPPIST en SPECULOOS ons onderzoek baseren.

Deze methode maakt het bovendien mogelijk om bij een exoplaneet in transit een atmosfeer te ontdekken. Wanneer immers de planeet voor de ster schuift, passeert een deel van het sterlicht doorheen de planeetatmosfeer. Als we het sterlicht tijdens de transit bestuderen, kunnen we daarin de spectroscopische vingerafdruk van de planeetatmosfeer detecteren. En dat is precies wat in 2001 is gebeurd toen met behulp van de Hubble Space Telescope voor het eerst de atmosfeer van een exoplaneet werd waargenomen.

 

exoplanet-kepler-animation-1170x586.jpg
Klik op deze link om de planeten rond hun ster te zien draaien.

 

Intussen zijn er duizenden exoplaneten ontdekt. En zo zijn we op een punt gekomen dat we relevante statistische conclusies kunnen trekken over de frequentie van exoplaneten in ons sterrenstelsel. We weten inmiddels dat de meeste sterren in ons sterrenstelsel planeten hebben, maar ook dat een systeem zoals ons zonnestelsel met een reuzenplaneet als Jupiter vrij ver van de moederster met een periode van twaalf jaar in een vrij cirkelvormige baan eerder uitzonderlijk is, iets gelijkaardigs zien we slechts bij minder dan vijf procent van sterren zoals de Zon.

Dat suggereert dat de mechanismen voor planeetvorming zeer efficiënt zijn, maar ze zijn ook erg stochastisch, dat wil zeggen dat ze erg afhangen van de initiële omstandigheden die leiden tot zeer verscheiden resultaten. Er zijn exoplaneten op heel excentrische banen, er zijn exoplaneten rond dubbelsterren, er zijn er in dubbele systemen rond één van de twee sterren. Er is werkelijk een ongelooflijke verscheidenheid in exoplaneetsystemen, en ons zonnestelsel is dus helemaal niet representatief.

Een derde succesvolle methode om exoplaneten te ontdekken is via microlenswerking, gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie. Het is een feit dat grote massa’s  de ruimte vervormen, en daardoor gaat licht van een ver verwijderde lichtbron afgebogen worden door de massa van een tussenliggende ster die toevallig passeert, gezien vanaf ons standpunt als waarnemers op Aarde. Door die perfecte opstelling op één lijn zorgt de lenswerking ervoor dat de achterliggende ster als een ring van licht waargenomen wordt. Als er bij de tussenliggende ster een planeet is, zal de massa van die exoplaneet de geometrie van de lenswerking vervormen, en dat kunnen astronomen met hun gevoelige meetapparatuur detecteren.

Het bijzondere van de gravitatielensmethode is dat het hiermee mogelijk is om exoplaneten waar te nemen die veel verder weg liggen, tot zelfs in een ander sterrenstelsel. Met de transit- en radiële snelheidsmethode lukt dat niet. En ook op basis van de gravitatielensmethode komen we tot voldoende statistisch materiaal om te mogen concluderen dat er planeten zijn rond de meeste sterren in het heelal.

 

Dat is zeker een belangrijk inzicht, maar exoplaneten dicht bij huis openen misschien perspectief op het vinden van leven in onze eigen galactische achtertuin?

Juist, het is niet voor niets dat de projecten zich tegenwoordig meer en meer oriënteren op de detectie van exoplaneten bij dichtbij gelegen sterren. We willen ze immers niet alleen kunnen detecteren, maar we willen ook nauwkeurig hun massa kennen en hun straal om daaruit hun samenstelling te kunnen afleiden, hun dichtheid, en ook om hun atmosferen te kunnen bestuderen. Een recent voorbeeld is de in april 2018 gelanceerde ruimtetelescoop TESS, een soort opvolgmissie voor Kepler, die een paar tienduizend planeten in transit wil detecteren rond dichtbij gelegen kleinere sterren. Bij kleinere sterren zal tijdens de transit een grotere fractie van het sterlicht bedekt zijn door de planeet. En bijgevolg zal bij een planeet met een atmosfeer ook de fractie sterlicht die door de planeetatmosfeer gaat groter zijn. Die fractie neemt toe met het kwadraat van de straal van de ster: bij sterren tien keer kleiner dan de Zon – en die zijn er heel veel in ons sterrenstelsel – hebben we een signaal dat honderd keer krachtiger is als we de atmosfeer van de planeet in transit willen bestuderen.

Met het oog op het bestuderen van exoplaneten die in massa en grootte vergelijkbaar zijn met de Aarde en dus potentieel leefbaar zijn, zijn wij begonnen aan het al eerder genoemde project SPECULOOS. De naam is een spielerei en staat voor Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOStars. Ook de naam TRAPPIST is een woordspel: TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope. Beide namen zijn trouwens op en top Belgisch, en de meeste astronomen vinden het best sympathieke namen die ook het grote publiek aanspreken.

 

eso1839j.jpg
SPECULOOS op de Paranal, waar ook de Very Large Telescope opgesteld staat. Copyright: ESO

 

De bedoeling van SPECULOOS is de duizend meest nabije kleinste sterren op de grens tussen rode en bruine dwergen te bestuderen. Het gaat daarbij om sterren die niet op het programma staan van TESS of andere projecten, zodat we complementair zijn. Daarbij is het de ambitie om aardachtige planeten in transit te ontdekken in de hoop op potentieel bewoonbare planeten te stoten waarvan nadien door toekomstige projecten de atmosferen kunnen bestudeerd worden. Daarvoor is het wachten op de James Webb Space Telescope, we hopen dat die in 2021 eindelijk gelanceerd zal worden. En in Chili komt de nieuwe Europese reuzentelescoop, de European Extremely Large Telescope of E--ELT, daarmee zullen we zeker ook de atmosfeer van sommige van die planeten rechtstreeks kunnen bestuderen.

 

U en uw team werden eind februari 2017 wereldberoemd toen de NASA een persbericht verstuurde om aan te kondigen dat rond de ster TRAPPIST-1 zeven aardachtige planeten werden ontdekt in de leefbare zone!

Een groot succes, inderdaad. TRAPPIST bestaat uit twee geautomatiseerde 60 cm telescopen, één staat op La Silla, de site van de ESO in Chili, de andere op het Oukaïmden-observatorium in Marokko.

Met ons team ontdekten we in 2015 rond de ster TRAPPIST-1, een ultra koele rode dwergster op een afstand van ongeveer veertig lichtjaar, drie exoplaneten die qua grootte vergelijkbaar zijn met onze eigen planeet. Dankzij de Very Large Telescope en de Spitzer Space Telescope kon nog nauwkeuriger gekeken worden en zo werden er in datzelfde stelsel nog vier nieuwe exoplaneten ontdekt, wat het totaal brengt op zeven potentieel leefbare planeten rond die ster.

 

PIA21424_-_The_TRAPPIST-1_Habitable_Zone.jpg
Copyright: NASA

 

Worden nieuwe projecten opgezet vanuit het idee van complementariteit of zijn het soms rivaliserende projecten die hetzelfde doel najagen?

De twee. Het gebeurt zelden dat iemand helemaal alleen een uitzonderlijk idee heeft, alles zit in een bepaalde context waarbij alle betrokkenen zicht hebben op wat de hot items zijn. Onderzoekers stellen geregeld projecten voor die lijken op gelijkaardige projecten van andere onderzoeksteams. Dan krijg je inderdaad een soort competitie, vaak tussen Europese en Amerikaanse wetenschappers. Als men een project opzet is het daarom belangrijk aan te tonen wat het innovatieve ervan is. Door een samenloop van omstandigheden zijn er soms projecten die simultaan lopen en zelfde doelstellingen hebben, maar veelal gaat het dan toch om een andere benaderingswijze. Door die competitie zal men ervoor zorgen om innovatief en grensverleggend te zijn, en dat kan idealiter leiden tot veel betere resultaten die er mogelijk niet zouden geweest zijn als die competitie de onderzoekers niet tot het uiterste had gedreven. En om tot optimale resultaten te komen is een samenwerking van verschillende experten met hun eigen expertises absoluut wel nodig om een groot en ambitieus project te kunnen realiseren.

 

Hebt u zicht op wat men in China binnen het astrofysisch onderzoek momenteel allemaal realiseert?

De Chinese economie draait goed, dus er zijn middelen beschikbaar, en men is effectief bereid in sterrenkunde en ruimtevaart te investeren. Hun ruimtevaartprojecten komen uitgebreid in het nieuws, maar ze zijn ook volop bezig grote observatoria op te richten.

Wat zij ontberen is een wetenschappelijke cultuur die berust op vele decennia aan expertise. En daarom werken zij graag samen met Europese en Amerikaanse wetenschappers om ideeën over te nemen waarmee zij vervolgens hun eigen projecten proberen te realiseren. China heeft dus nog wat tijd nodig om zich verder te ontwikkelen en ook op het vlak van wetenschappelijk onderzoek wereldtop te zijn.

 

Heeft de internationale weerklank in verband met TRAPPIST-1 u geholpen bij de realisatie van het  nieuwe SPECULOOS-project?

Dat is zeer zeker het geval, onze ontdekking was in het kader van het exoplanetenonderzoek en de zoektocht naar planeten bij andere sterren die lijken op de Aarde erg belangrijk en zorgde professioneel voor veel aandacht, zodat TRAPPIST-1 de deur opende om samen te werken met andere specialisten ter zake. Maar door de ruchtbaarheid in de media overal ter wereld was het ook publicitair gezien een schot in de roos, en voor het bekomen van financiële steun is dat aspect ook erg belangrijk.

 

Op de SPECULOOS-website staat vermeld dat ook Saoedi-Arabië in het project participeert. Staat het gedachtegoed dat men in dat land propageert met onder andere een afwijzing van de evolutieleer van Darwin en het in vraag stellen van een aantal vaststaande principes uit het handboek van de natuurkunde niet haaks op het vrije wetenschappelijke onderzoek?

Saoedi-Arabië heeft financiële steun gegeven door toedoen van een sjeik die zelf wel heel open van geest was. De man had gestudeerd in Europa en was erg geboeid door de zoektocht naar exoplaneten. Hij had een assistent die in Engeland sterrenkunde had gestudeerd en die in Mekka actief was in het astronomisch museum. Hij wou via  ons project de interesse en studie van sterrenkunde stimuleren in Saoedi-Arabië. Maar door de politieke ontwikkelingen van de laatste tijd in dat land is de steun stopgezet en nemen zij niet meer deel aan SPECULOOS.

 

Naast de universiteit van Luik is de andere grote partner het Cambridge Exoplanet Research Centre, onderdeel van het befaamde Cavendish Laboratory in Cambridge. Wellicht is dit een zeer vruchtbare samenwerking?

Er zijn natuurlijk ook nog de universiteiten van Birmingham en van Bern, het Massachusetts Institute of Technology – het MIT, het astrofysisch instituut van de Canarische Eilanden, en de ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, die meewerken. Maar in Cambridge is Didier Queloz één van de grote namen van het exoplanetenproject. Van 2006 tot 2008 heb ik mijn postdoc gedaan in Genève bij Michel Mayor en Didier Queloz, de twee ontdekkers van de allereerste exoplaneet rond een gewone ster. Het waren fijne jaren in Genève waarbij we heel intens samenwerkten, en in die tijd raakte ik goed bevriend met Didier Queloz. Sindsdien zijn we blijven samenwerken, en van bij de start was hij ook erg enthousiast over SPECULOOS. Hij zorgde ervoor dat we fondsen kregen van een Amerikaanse stichting die wetenschappelijke projecten ondersteunt. En Didier is nu één van de sleutelmedewerkers aan het project.

 

Zou de Brexit een probleem kunnen zijn voor het project?

Niet echt, want de financiering via het Cavendish Laboratory komt voornamelijk van die Amerikaanse stichting. Private sponsorship is belangrijk voor heel wat projecten, waaronder SPECULOOS. Op die manier zijn we niet afhankelijk van Europese fondsen. De Brexit zal zeker voor sommige onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk een probleem zijn als zij voor de financiering van hun onderzoek rekenen op Europese fondsen. Voor de grote en prestigieuze universiteiten zoals Cambridge en Oxford is er veel private sponsoring, en ik ben vrij zeker dat de financiële middelen van die universiteiten niet zullen verminderen. Kleinere universiteiten daarentegen zullen wellicht wel hun mogelijkheden om allerhande onderzoeksprojecten te realiseren zien afnemen.

 

Wat is de krachtsverhouding voor SPECULOOS tussen Luik en Cambridge? 50-50?

Wat de financiële inbreng betreft hebben wij het grootste deel aangeleverd. De leiding van het project berust ook bij ons, de Principal Investigator ben ik. Maar Cambridge speelt zeker een belangrijke rol, zij zitten aan een prestigieuze universiteit, hebben een groot team en veel mogelijkheden. Samenwerken met een dergelijk instituut is zeker een extra troef voor ons project. In vergelijking met Cambridge is Luik een kleine universiteit. We proberen op het vlak van exoplanetologie een vooraanstaande rol te spelen, maar we hebben onze financiële beperkingen, zodat we niet zoveel medewerkers kunnen inzetten en projecten realiseren als we wel zouden willen.

SPECULOOS is te ambitieus om alleen door onze universiteit gerealiseerd te kunnen worden. Om met succes op exoplaneten te kunnen jagen hebben we een netwerk van zes à zeven geautomatiseerde telescopen nodig, elk met een diameter van 1 meter. Als je dan weet dat de installatie van één enkele telescoop een miljoen euro kost, begrijp je meteen dat een dergelijk bedrag onmogelijk bijeen gebracht kan worden door één enkel instituut, zeker op Belgisch niveau, en zelfs met Europese steun. En op die manier maken internationale samenwerkingen ambitieuze projecten mogelijk die anders niet te realiseren vallen voor onze universiteiten.

 

Vorderen de werken in Tenerife ook naar wens?

Die vorderen zeer goed. SPECULOOS-Nord op Tenerife is een uitbreiding van SPECULOOS-Sud in Chili. Onze installatie ligt op het Observatorio del Teide, en zo kunnen we dus zowel op het noordelijk als op het zuidelijk halfrond gaan speuren naar exoplaneten.

SPECULOOS-Nord wordt een telescopencomplex dat we samen met het Massachusetts Institute of Technology en het astrofysisch instituut van de Canarische Eilanden realiseren. Momenteel bestaat SPECULOOS-Nord uit één enkele telescoop, Artemis, een exacte kopie van onze telescopen van SPECULOOS-Sud.

 

maxresdefault.jpg

 

Dit deel van SPECULOOS wordt grotendeels gefinancierd door het MIT, ons aandeel is slechts tien procent. De persoon die de leiding heeft namens het MIT is een Belg, Julien de Wit, een oud-student van onze universiteit. Via een Amerikaanse stichting heeft hij middelen kunnen binnenhalen voor de bouw van Artemis. De inhuldiging vindt plaats op 20 juni 2019, en de telescoop is meteen klaar om te beginnen jagen op exoplaneten.

Ten slotte is er nog de telescoop SAINT-EX in Mexico, een realisatie van de universiteit van Bern, en de twee TRAPPIST-telescopen, één in Chili en één in Marokko, die mee SPECULOOS ondersteunen.

 

Prachtig project! Hebben jullie al zicht op resultaten met de vier SPECULOOS-telescopen op Paranal?

Jazeker, we zijn een aantal papers aan het klaarmaken, de gegevens die we al hebben binnengehaald zijn uitstekend, de site zelf is exceptioneel, dus het ziet er allemaal heel veelbelovend uit. Ten gepaste tijde zullen we met resultaten naar buiten komen.

 

De Cerro Armazones waar men de European Extremely Large Telescope aan het bouwen is ligt niet ver van de Paranal?

Inderdaad, vanaf de Paranal kunnen we de Cerro Armazones zien, die ligt op minder dan 20 km. De top is al afgeplat, en men is volop bezig met de bouw van de infrastructuur voor de E-ELT. In 2024 zou de telescoop zijn ‘first light’ moeten krijgen, maar met een dergelijk gigantisch project is het erg waarschijnlijk dat men de voorspelde deadlines niet haalt. De constructie van een spiegel met een diameter van 39,3 meter, bestaande uit 798 zeshoekige segmenten, is een super gecompliceerd werk waarbij de adaptieve optiek zeker ook heel wat correcties zal meebrengen.

 

Kan u kort nog even het project CoRoT voorstellen?

CoRoT was een ruimtetelescoop die van 2006 tot 2012 door het CNES, het ruimtevaartagentschap van Frankrijk, en de ESA, samen met nog enkele internationale partners, ingezet werd voor onderzoek te doen naar exoplaneten. Maar er werden ook data verzameld in het kader van asteroseismologisch onderzoek, dat wil zeggen het meten van pulsaties van sterren om zo beter zicht te krijgen op hun inwendige structuur en werking. De naam CoRoT staat voor Convection, Rotation et Transits planétaires. Het was dus de bedoeling om voor het eerst met een ruimtetuig te gaan speuren naar transits van exoplaneten, en op die manier was CoRoT een wegbereider voor de volgende generatie satellieten zoals Kepler en TESS.

CoRoT heeft een twintigtal hete Jupiters ontdekt, maar de belangrijkste ontdekking was één super-Aarde, dat was in 2009 en toen een primeur.  Qua exoplaneten lijkt dit misschien geen grote oogst, zeker als we het vergelijken met de duizenden exoplaneten die Kepler heeft ontdekt, maar het project was origineel vooral bedoeld om asteroseismologisch onderzoek te kunnen verrichten. Het luik detectie van exoplaneten is nadien pas toegevoegd om het financiële plaatje van het project rond te krijgen. De satelliet om sterpulsaties te onderzoeken was verschillende keren voorgesteld, maar zonder succes. Toen het luik exoplaneten eraan toegevoegd werd, kon het plots wel. Dus ja, de jacht op exoplaneten heeft echt wel de wind in de zeilen en spreekt tot de verbeelding van velen, ook niet-astronomen.

astero_fig_d3426840.jpg
Stertrillingen geven inzicht over de inwendige structuur van sterren.

 

Heeft Kepler ook geen onderzoek gedaan op het vlak van asteroseismologie?

Daar was het omgekeerd, asteroseismologie was een bijkomstig resultaat, maar de satelliet werd essentieel ontworpen voor de detectie van exoplaneten.

 

De ultra koele rode dwergen die jullie onderzoeken zijn toch niet het meest gunstige type ster om in de omgeving daarvan leven te ontdekken? Uit recent onderzoek blijkt nog maar eens dat rode dwergsterren gevaarlijk zijn door hun grillige karakter en vaak krachtige uitbarstingen.

Er zijn bij die sterren inderdaad omstandigheden die totaal anders zijn dan bij de Zon. Het zijn sterren die heel langzaam evolueren. Vooraleer ze op de hoofdreeks komen te zitten als rode dwergen, gaan ze na hun ontstaan gedurende meerdere honderden miljoenen jaren helderder en groter zijn. In die fase van hun bestaan zijn ze een bron van krachtige straling en frequente uitbarstingen, en planeten die rondom een dergelijke ster ontstaan krijgen dan ook te maken met extreme omstandigheden. Daarbij zal de planeetatmosfeer zwaar op de proef gesteld worden en geheel of gedeeltelijk verdampen.

Sommige van die planeten die oorspronkelijk slechts een beperkte hoeveelheid vluchtige gassen zoals water hadden kunnen vasthouden zijn geëvolueerd tot verdroogde rotsplaneten, dus totaal niet meer leefbaar. Indien die planeten wel voldoende water hebben kunnen behouden en zich in de leefbare zone bevinden, dus niet te dicht bij en te ver van hun moederster, situeren ze zich hoe dan ook in de buurt van een erg actieve ster.

TRAPPIST-1 heeft een luminositeit van 0,05 % van die van de Zon, maar toch straalt ze evenveel uv- en röntgenstraling uit als de Zon. Aangezien de planeten die rond TRAPPIST-1 draaien veel dichter bij deze ster staan dan de Aarde bij de Zon, wil dat zeggen dat ze enorme hoeveelheden van die straling te verwerken krijgen, tien tot honderd keer meer dan de Aarde. Dan zijn er ook nog de sterrenwinden van geladen deeltjes die de planeet bombarderen. Dat gaat een belangrijke erosie van de atmosfeer met zich meebrengen. Alles zal dus afhangen van het overleven van de atmosfeer, de kritieke factor om leefbare omstandigheden te hebben aan het planeetoppervlak.

Er zijn verschillende mechanismen die de verdamping van de atmosfeer kunnen vertragen. Het zal afhangen van de samenstelling, de structuur en de interne chemie van de atmosfeer, van de aanwezigheid van een eigen beschermend magnetisch veld van de planeet. En het overleven van de atmosfeer zal ook afhangen van de bronnen van de atmosfeer: niet alleen de originele samenstelling ervan, maar ook het ontgassen van de planeet en mogelijke inslagen van asteroïden op de planeet die van buitenaf voor de aanvoer van volatiele elementen kunnen zorgen.

Uit metingen aan het exoplanetensysteem rond TRAPPIST-1 blijkt dat de dichtheid van die planeten lager is dan die van de Aarde, wat suggereert dat ze nog steeds rijk zijn aan water. Zelfs heel wat rijker aan water dan de Aarde: naar schatting 4 à 5 % water, terwijl dat op Aarde slechts 0,02 % is. Zelfs als door de hoogenergetische straling water voortdurend verdampt bij die planeten, is de voorraad ervan zo groot dat het niet alleen als broeikasgas in de atmosfeer aanwezig zal blijven, maar ook in vloeibare toestand aan het planeetoppervlak.

Net zoals de Maan ten opzichte van de Aarde in synchrone rotatie is en dus steeds met dezelfde kant naar onze planeet gekeerd is, zal dat voor de exoplaneten bij TRAPPIST-1 ook het geval zijn, gezien hun kleine afstand tot de moederster. Dat heeft voor gevolg dat de planeten een kant hebben die permanent in het sterlicht baadt en een kant waar het voortdurend nacht is. Daardoor zou gevreesd kunnen worden dat de atmosfeer aan de nachtkant bevriest en dat vervolgens uiteindelijk de hele atmosfeer bevriest. Recente 3D simulaties in dit verband hebben aangetoond dat er zelfs met een atmosfeer die tien keer ijler is dan die van de Aarde een dusdanige transfer van warmte van de dagzijde naar de nachtzijde zal plaatsvinden, zodat er een soort harmonisatie optreedt die verhindert dat er een catastrofale bevriezing van de hele atmosfeer zou volgen.

 

screen-shot-2018-11-20-at-160519png.jpg

 

Toch zeker positief nieuws in de zoektocht naar een leefbare omgeving in de buurt van TRAPPIST-1.

Als we zoeken naar leven is het duidelijk dat te veel röntgen- of uv-straling een belemmerende factor is. Maar om de prebiotische chemie op gang te brengen, dat wil zeggen de chemie in het stadium vooraleer er van leven of biologie sprake is, is het nodig dat kleine moleculen uiteenvallen om te komen tot complexe moleculen. Dat uiteenvallen kan gebeuren via de hoogenergetische straling van de nabije ster, maar het kan zeker ook gebeuren via hete bronnen op de bodem van oceanen, dus in een omgeving die totaal is afgesloten voor de straling van de ster. Bovendien hebben de TRAPPIST-1 exoplaneten te maken met een kant die permanent blootgesteld is aan veel directe straling, de dagzijde, en anderzijds een kant die helemaal niet bestraald wordt, de nachtzijde. Tussenin situeert zich een zone met veel minder straling, een toestand vergelijkbaar met wat we op Aarde hebben.

Als we al die argumenten samen leggen, komen we tot de conclusie dat we niet kunnen stellen dat die planeten zeker bewoonbaar zijn, maar we kunnen het zeker niet uitsluiten.

 

Wat kunnen we verwachten van planeten bij bruine dwergen?

De omstandigheden zijn er in ieder geval helemaal anders, want behalve hun energie van in hun ontstaansperiode hebben bruine dwergen geen interne energiebron. Bruine dwergen ontstaan zoals sterren, het gaat om samentrekkende gas- en stofwolken die steeds heter worden. Die warmte gaan ze geleidelijk uitstralen. En daar er geen nucleaire reacties gaan optreden in hun kern, zijn ze na een miljard jaar al behoorlijk afgekoeld. Daardoor gaat de leefbare zone rondom de bruine dwerg, waar aan het planeetoppervlak vloeibaar water voorkomt, alsmaar dichter bij de bruine dwerg te situeren zijn. En na een paar miljard jaar is er rond zo’n bruine dwerg geen leefbare zone meer te vinden, er blijft immers onvoldoende licht en energie over om het water in vloeibare toestand te houden.

Het is dus wel waarschijnlijk dat er rond bruine dwergen ook planeten ontstaan, via observaties hebben we immers al protoplanetaire schijven gedetecteerd rond jonge bruine dwergen, maar die planeten ontvangen niet genoeg energie om water aan hun oppervlak in vloeibare toestand te kunnen behouden.

 

We weten van onze eigen planeet dat leven erg vroeg in geschiedenis van de Aarde is ontstaan.

Dat klopt, en het is dus zeker mogelijk dat op een exoplaneet rond een bruine dwerg leven ontstaat, maar door de zonet geschetste factoren is het gedoemd om na enkele honderden miljoenen jaren weer te verdwijnen.

 

Op Aarde treffen we in de meest onherbergzame omgevingen levensvormen aan die toch kunnen overleven in extreme en vijandige omstandigheden?

Ja, maar vloeibaar water is toch een essentiële voorwaarde om leven zoals wij het ons voorstellen te hebben. We moeten dus zoeken naar een exoplaneet die onder zijn oppervlak vloeibaar water heeft kunnen behouden. Als de planeet voldoende massa heeft, is dat zeer goed mogelijk, want ten gevolge van radioactief verval in het planeetinwendige heeft ze haar eigen inwendige energiebron. Op die manier kan de planeet gedurende miljarden jaren vloeibaar water behouden onder haar oppervlak. Denk bijvoorbeeld aan de dikke ijslaag met daaronder een diepe oceaan bij Europa, de grote Jupitermaan. Daar komt de inwendige energie van de sterke getijdenkrachten ten gevolge van de nabijheid van de zware planeet Jupiter. Maar het zou ook kunnen gaan om een multiplanetair systeem waarbij de planeten onderling voor wrijving zorgen. Dat zorgt voor een uitwisseling van energie, hierdoor verwarmt het inwendige en kan er vloeibaar water zijn. En zo hebben we de noodzakelijke voorwaarde om een leefomgeving te hebben onder het planeetoppervlak met eventueel leven dat zich daar verbergt.

Maar stel dat dit het geval is, is het probleem dat we nooit in staat zullen zijn om dat leven te detecteren. Want met leven onder het planeetoppervlak zal er geen atmosferische signatuur zijn. De enige manier om zeker te zijn is ernaartoe te gaan en ter plekke onderzoek te verrichten. Maar het is al een hele krachttoer om op Europa onder de ijskorst te gaan speuren. Dus indien we leven buiten het zonnestelsel willen ontdekken, zal dat door onderzoek van op afstand moeten gebeuren.

 

Er zijn wetenschappers die de ‘Rare Earth Hypothesis’ verkondigen: het leven op Aarde is een soort schitterend ongeluk, uniek in het heelal. Andere onderzoekers stellen dat het leven zich opdringt: vanaf het moment dat de condities er zijn, zal het leven ook effectief ontstaan. Wat is uw mening in dit verband?

De bouwstenen van het leven, complexe organische moleculen, vinden we overal in het heelal. Als we bijvoorbeeld met onze telescopen de reusachtige koude interstellaire wolken bestuderen, komen die moleculen in een verbluffende verscheidenheid voor. De scheikunde die daar plaatsvindt, gebeurt uiterst langzaam, maar is reëel. En het heelal heeft tijd.

Vloeibaar water aan het oppervlak van een planeet is volgens mij eerder zeldzaam. In ons eigen zonnestelsel heb je de Aarde, en misschien is er een heel klein beetje water aan  op het oppervlak van Mars, dat is alles. Maar als we het aantal planeten in ons sterrenstelsel bekijken, schat men dat er ongeveer dertig miljard potentieel bewoonbare planeten zijn, daarvan zal een aanzienlijke fractie vloeibaar water aan het planeetoppervlak hebben.

Dan hebben we ook nog een energiebron nodig. Daarvoor is er de energie van de nabije ster en de energie van de planeet zelf.

Het is zo dat we niet precies weten hoe het leven op onze planeet is ontstaan. Er wordt soms gewag gemaakt van een ‘Great Filter’, een bepaald proces of een gebeurtenis op een bepaald moment waardoor het ontstaan en de evolutie van leven onmogelijk wordt gemaakt, vandaar dat we nog geen enkel spoor van buitenaards leven hebben kunnen vinden. Mij lijkt het onwaarschijnlijk dat dit aan de orde is, als we ervan uitgaan dat het ontstaan van leven een natuurlijk proces is, gebaseerd op elementen die overvloedig aanwezig zijn in het heelal. Persoonlijk meen ik dat leven frequent voorkomt in het heelal.

 

Vervolgens is de vraag of simpel leven evolueert naar complex leven?

Dat zal van lokale omstandigheden afhangen, van de natuurlijke selectie in functie van de veranderende omgeving waarin die selectie zich afspeelt. Als we planeten hebben waar grote inslagen frequent voorkomen, daar wordt het leven elke keer weer naar punt nul teruggebracht. Bij planeten die maar een heel beperkte hoeveelheid energie ontvangen of waar de hoeveelheid verschillende elementen die belangrijk zijn voor het leven schaars is, kan het best zijn dat alles blijft steken bij heel eenvoudige levensvormen, omdat de voorwaarden ontbreken om te evolueren tot complexere levensvormen. Op Aarde hangt die toenemende complexiteit samen met de toenemende hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer. Die zuurstof werd gedurende enkele miljarden jaren geproduceerd door cyanobacteriën die aan fotosynthese deden. Niets zegt dat, mochten we het leven op Aarde op nul zetten en het opnieuw doen opstarten, dit opnieuw zo zou gebeuren. Maar het proces van fotosynthese is heel belangrijk en interessant, en we weten dat leven processen selecteert die goed functioneren. Alles verloopt via toevallige mutaties, totaal zonder plan. Heel veel aanpassingen blijken toch niet zo goed te werken, en bijgevolg zullen die niet succesvolle levensvormen verdwijnen. Maar er zijn aanpassingen die we zowat overal op Aarde terugvinden in de evolutie van de soorten, en die wel succesvol zijn.

 

Tekening_fotosynthese_Bas%20Blankevoort%20(1).jpg
Copyright: S.Blankevoort, Natuurwijzer

 

Fotosynthese werkt heel goed: er wordt gebruik gemaakt van de energie van de Zon, en hoe beter die gebruikt wordt, des te beter de kans om te overleven. Geleidelijk begon de zuurstof zich op te stapelen in de atmosfeer. En zo konden sommige levensvormen een metabolisme ontwikkelden dat gebruik maakt van zuurstof als middel om de energie van de verschillende aanwezige moleculen beter te benutten. In theorie is dit op zuurstof gebaseerde metabolisme zelfs het meest efficiënte systeem.

Tenzij er op een planeet voortdurend grote catastrofes plaatsvinden, meen ik dat een evolutie naar complexe levensvormen ook effectief zal plaatsvinden. En dus ben ik vrij optimistisch in verband met het veelvuldig voorkomen van complexe levensvormen in het heelal, het is geen uiterst zeldzaam mirakel, zoals sommigen beweren.

Of er intelligentie ontstaat, is nog een andere kwestie. Technologische intelligentie heeft duidelijk een evolutief voordeel: het heeft het mogelijk gemaakt dat Homo sapiens zich succesvol voortplant en de omgeving kan beïnvloeden om gemakkelijker te overleven. Maar we weten totaal niet in hoeverre die technologische intelligentie lang kan overleven, ze verschijnt nog maar pas op Aarde, en we zijn al volop bezig een massale sterfte te veroorzaken. Laat ons dus hopen dat intelligentie er ook zal voor zorgen dat we erin slagen in de toekomst meer in harmonie met de rest van onze biosfeer te functioneren.

Maar ik ben dus vrij optimistisch wat betreft de mogelijkheid van buitenaards leven, inbegrepen intelligente levensvormen. Ik heb het boek ‘Rare Earth’ gelezen, maar ik vind dat de argumenten die de auteurs hanteren ad hoc en a posteriori zijn. Ze stellen bijvoorbeeld dat de Maan heel belangrijk is voor het leven op onze planeet, omdat de aanwezigheid van de Maan zorgt voor stabiliteit. Maar stel dat die stabiliteit er niet was en dat de as van de Aarde chaotischer zou wiebelen, met als gevolg dat het klimaat en de leefomstandigheden veel sneller veranderen op onze planeet? Als de leefomgeving heel stabiel is, installeert er zich een evenwicht waardoor de evolutie zo goed als stopt. Als er zich daarentegen regelmatig grote veranderingen en catastrofes voordoen, heeft de evolutie de neiging om te versnellen. Voortdurend worden er nieuwe oplossingen en aanpassingen aan de veranderende omstandigheden getest, vaak zitten daar heel rare nieuwe evoluties bij. Maar als die succesvol blijken te zijn, kunnen ze blijven bestaan.

Er zijn twee wegen om buitenaards leven te ontdekken: binnen het zonnestelsel en via de exoplaneten. Bij exoplaneten kan dat door het spectrum ervan te bestuderen. We gaan dan op zoek naar complexe moleculen die in dat spectrum gedetecteerd worden in verhoudingen die niet verklaard kunnen worden door niet-biologische processen.

 

Zal de James Webb Space Telescope in staat zijn om zoiets te detecteren?

Die telescoop zal bepaalde moleculen kunnen detecteren, en in zeer gunstige gevallen zal hij ozon of CO2 kunnen detecteren. Maar op basis van de aanwezigheid van die twee moleculen gaan we niet kunnen concluderen dat een planeet bewoond is. Het zou wel een indicatie kunnen zijn dat er bij die planeet een interessante evolutie van de atmosfeer aan de gang is.

Als we de zeven planeten bij TRAPPIST-1 bekijken, is exoplaneet TRAPPIST-1e a priori de meest gunstige voor het ontstaan van leven. Stel dat we in de atmosfeer van die planeet een sterke signatuur van zuurstof zouden aantreffen en dat dit niet het geval zou zijn bij de andere planeten van het systeem, ook al hebben die alle te maken met een vergelijkbare steromgeving, dan hebben we een sterke aanwijzing dat er daar iets aan het gebeuren is, en dat zou leven kunnen zijn. Maar het is geen formeel bewijs.

Voor een onomstotelijk bewijs moeten we op een sterk chemisch onevenwicht stoten, bijvoorbeeld een planeetatmosfeer waar we niet alleen zuurstof aantreffen, maar ook een proportioneel grote hoeveelheid methaan. Methaan kan op een natuurlijke niet biologische manier geproduceerd worden, maar slechts in kleine concentraties. In de atmosfeer van een planeet zal er voortdurend oxidatie optreden, waarbij de aanwezige zuurstof de methaan constant doet uiteenvallen en de koolstof ervan aan zich bindt om CO2 te vormen. Indien er toch grote methaanconcentraties in een planeetatmosfeer gevonden worden, kunnen we concluderen dat er biologische processen aan de gang zijn die voortdurend nieuwe methaan produceren.

Er is in de geschiedenis van de Aarde een periode geweest dat er grote hoeveelheden methaan in de atmosfeer aanwezig waren. Maar toen de organismen die op basis van fotosynthese zuurstof produceren veel succesvoller bleken bij de verovering van de Aarde, ging de hoeveelheid zuurstof enorm toenemen en is de methaan grotendeels verdwenen. Maar het is mogelijk een planeet te hebben waarop er veel organismen zijn die methaan produceren en ook veel organismen die zuurstof produceren, waarbij die twee niet te veel in competitie gaan.

Met de James Webb ruimtetelescoop zullen we dus wel bepaalde indicaties krijgen in de zoektocht naar buitenaards leven, maar voor formeel bewijs zullen we moeten wachten op nieuwe ruimtemissies met nog meer performante waarnemingsinstrumenten. Dan zal het wellicht mogelijk zijn om in de planeetatmosferen alle aanwezige moleculen te detecteren, zelfs degene die er in lage concentraties zijn. Maar geduld is nodig, alles verloopt etappe per etappe: eerst moet de JWST gelanceerd raken en moet men met resultaten komen, eerder zal men nooit financies vrijmaken voor volgende projecten.

 

PIA21442_modest.jpg
Copyright: NASA
We kunnen ook elders in het zonnestelsel gaan speuren naar buitenaards leven, dat is dichter bij huis.

De grote Jupitermaan Europa is zeker een interessante piste in dit verband. Onder de dikke ijslaag is er daar een oceaan waarin mogelijk leven te vinden is. Maar willen we dat gaan onderzoeken, moeten we eerst de tientallen kilometer dikke ijskorst kunnen doorboren om in de oceaan te belanden. Niet evident.

Bij Enceladus weten we dat er geisers zijn, daarin wordt waterdamp van uit het inwendige omhoog gespoten. Het gaat dus om water dat rechtstreeks afkomstig is van een oceaan onder de ijskorst. Stel dat een ruimtetuig dat door die geisers passeert via chemische analyses kan aantonen dat in de waterdamp ook aminozuren zitten of andere elementen die doen denken aan biochemie, zitten we er heel dicht bij. Voor mij is Enceladus zeker het meest veelbelovende doelwit om relatief snel een positief antwoord te krijgen op de vraag: bestaat buitenaards leven?

Tenzij men bij het onderzoek op buurplaneet Mars een plek zou aantreffen aan of onder het planeetoppervlak met vloeibaar water, misschien dat we daar binnen afzienbare tijd leven ontdekken, wie weet?

 

Hartelijke dank, mijnheer Gillon, voor uw tijd en het boeiende gesprek, wij volgen op MIRA het project SPECULOOS alvast op de voet en laten niet na er de nodige ruchtbaarheid aan te geven.

 

Tekst: Francis Meeus

20/06/2019