2021-04 MIRA Ceti sprak met... Lucas Patty

Sinds de ontdekking in 1995 van 51 Peg b, de eerste exoplaneet bij een zonachtige ster, kent dit onderzoeksdomein een ware ‘boom’ waarbij via allerhande detectiemethoden steeds meer planeten bij andere sterren worden ontdekt. De teller staat medio 2021 reeds op bijna vijfduizend stuks.

Parallel aan deze ontwikkeling kent ook de zoektocht naar buitenaards leven een geweldige ‘boost’. In deze context werd onze aandacht getrokken door een toch wel erg veelbelovend project waar de Nederlandse wetenschapper Lucas Patty (°1986) de drijvende kracht van is en waar jij, lezer van MIRA Ceti, via onderstaand interview nader kennis mee kan maken.

 

 

Copyright afbeelding: Lucas Patty

 

Dag Lucas. Hoe ben jij als bioloog bij de zoektocht naar buitenaards leven terecht gekomen?

Ik heb aan de Vrije Universiteit Amsterdam biologie en aardwetenschappen gestudeerd met een master in de hydrologie. Vooral de interactie tussen die onderzoeksdomeinen fascineerde mij. Tijdens mijn masterproef was ik in contact gekomen met het projectvoorstel van een aantal biologen om onderzoek te doen hoe je buitenaards leven zou kunnen detecteren. Op die manier ben ik er een beetje ingerold.

 

Was je al tijdens je prille jeugd geïnteresseerd in wetenschappen?

Zeker. Maar mijn belangstelling voor wetenschappen was heel ruim en nooit specifiek in één welbepaalde richting. Sommige mensen weten bijvoorbeeld als kind al dat ze later astronoom of bioloog willen worden. Ik kan niet zeggen dat dit bij mij ook het geval was.

 

Na je doctoraat in Nederland kon je terecht in het Zwitserse Center for Space and Habitability aan de universiteit van Bern. Sinds de ontdekking van 51 Peg b door de astronomen Michel Mayor en Didier Queloz van de universiteit van Genève is Zwitserland één van de leidinggevende landen op het gebied van de zoektocht naar exoplaneten en van astrobiologie. Toch wel fijn dat men daar graag op jou beroep wil doen om hun onderzoek verder vooruit te stuwen?

Zeer zeker, het is heel stimulerend om in deze onderzoeksgroep terecht te komen.

 

Onlangs las ik een artikel van Brice-Olivier Demory van jullie centrum in Bern waarin hij het onder andere ook had over het planetenrijtje bij de ster TRAPPIST-1 en de kans op leven aldaar.

Dat is inderdaad een ontdekking met veel potentieel op het gebied van de aanwezigheid van mogelijk buitenaards leven. Brice is trouwens één van mijn professoren, en de PI, de verantwoordelijke, voor het project MERMOZ waar ik mee aan werk. MERMOZ staat voor Monitoring planEtary suRfaces with Modern pOlarimetric characteriZation.

 

Sinds 1995 zijn er intussen bijna vijfduizend exoplaneten ontdekt. Daarbij dringt een pertinente vraag zich op: zou er daar ergens leven te vinden zijn? Met TreePol stel jij een instrument voor dat op die vraag een sluitend antwoord zou kunnen geven. Kan jij even uitleggen hoe dat procedé in zijn werk gaat?

Bij het speuren naar buitenaards leven gaat men op zoek naar zogenaamde biosignaturen. Dat zijn fenomenen die alleen door het voorkomen van leven kunnen worden veroorzaakt. Er zijn natuurlijk veel verschillende soorten biosignaturen, gaande van complexe organische moleculen via fossielen tot bepaalde gassen in planeetatmosferen. Als je kijkt naar de Aarde, is bijvoorbeeld die 21 procent zuurstof in onze atmosfeer onlosmakelijk verbonden met het verschijnen van organismen die aan fotosynthese doen in een pril stadium van onze planeet. In combinatie met andere gassen zou je kunnen stellen dat het voorkomen van zuurstof een teken is van meer complexe chemische processen aan het oppervlak van een planeet die niet abiotisch van origine kunnen zijn. Er zijn heel veel manieren waarop je tekenen van leven zou kunnen opsporen bij exoplaneten.

 

Zuurstof in de atmosfeer kan een biosignatuur zijn, maar is het niet per se. Wat jullie meten met jullie instrument is in vergelijking daarmee wel hele stap vooruit, nietwaar?

Inderdaad, wat wij meten is eigenlijk een onomstotelijke manier om leven te detecteren.

In 2013 ben ik aan onze universiteit in Amsterdam samen met de Sterrenwacht Leiden met dit onderzoek begonnen. In het begin waren dat vooral metingen in het laboratorium, en aan het eind van mijn promotieonderzoek hebben we buiten het gebouw metingen gedaan. Hier in Zwitserland heb ik dat verder ontwikkeld, ook nog steeds in samenwerking met de Sterrenwacht Leiden, om die metingen te kunnen doen vanuit helikopters en vliegtuigen.

 

Hoe gaat het precies in zijn werk?

Het instrument TreePol is een circulaire spectropolarimeter, ontwikkeld voor gevoelige polarimetrische metingen in zowel het laboratorium als buiten.

De biochemie op Aarde maakt voornamelijk gebruik van chirale moleculen. Deze chiraliteit is bepalend voor het functioneren van biologische systemen.

Chirale moleculen in hun meest simpele vorm kunnen ‘linkshandig’ of ‘rechtshandig’ zijn. Zodra moleculen toenemen in grootte zijn de chirale varianten in overmaat. In niet-biologische systemen komen links- of rechtshandige versies in gelijke mate voor. In het leven zelf is er duidelijk een voorkeur voor linkshandig of rechtshandig: zo zijn vrijwel alle aminozuren linkshandig en zijn bijna alle suikers rechtshandig. Dit fenomeen noemen we homochiraliteit, en dat is meteen een unieke en karakteristieke eigenschap van het leven zelf.

De chiraliteit van moleculen leidt tot een specifieke interactie tussen de moleculen en licht: bij een linkshandig en een rechtshandig molecuul geeft zowel het verschil in absorptie van links- of rechtsdraaiend circulair gepolariseerd licht, als de gecreëerde circulaire polarisatie een spectrum afhankelijk van de golflengte dat volledig tegenovergesteld is. Hierdoor zijn in mengsels van niet biologische moleculen netto geen signalen zichtbaar, maar zijn die wel duidelijk aanwezig in mengsels van homochirale biologische moleculen. Bijgevolg kan dit verschil vanop afstand gemeten worden.

Doordat homochiraliteit uitsluitend voorkomt in leven en in moleculen die hun oorsprong hebben in biologische systemen kan het meten ervan gebruikt worden om de aanwezigheid van leven aan te tonen op andere planeten.

 

 

 

Werking TreePol spectropolarimeter

Copyright: Lucas Patty, licentie via Creative Commons 4.0 International

https://www.researchgate.net/figure/Schematic-of-TreePol_fig1_331165727

 

 

Dit gegeven is dan ook cruciaal om op zoek te gaan naar buitenaards leven?

Ja, zeker ook omdat we geen valse positieven kennen: we hebben nog geen enkele situatie gevonden waarbij er sprake is van homochiraliteit bij abiotische systemen.

Maar om te hoog gespannen verwachtingen meteen te temperen moet ik er wel bij vertellen dat in vergelijking met andere biosignaturen het opgevangen signaal vrij zwak is. Typisch als je een plant meet, is het gepolariseerd licht minder dan één procent van het licht dat je ervan opvangt. De moeilijkheid zit erin om het circulair gepolariseerd licht te scheiden van al het andere licht. Bij de detectie van exoplaneten kan lineair gepolariseerd licht een groot voordeel leveren. Met behulp van dat licht kan je het contrast verhogen tussen de exoplaneet en de ster waar die rond draait. Maar bij circulair gepolariseerd is dat lastiger toe te passen omdat het moeilijker detecteerbaar is en het signaal veel kleiner is. Het probleem is ook dat je lineair gepolariseerd licht mogelijk vals detecteert als circulair gepolariseerd licht. En omdat het lineair gepolariseerd licht veel ordes van grootte groter is, zie je dan uiteindelijk geen signaal meer.

Dit probleem is alvast een serieuze uitdaging bij het ontwikkelen van een geschikte detector van circulair gepolariseerd licht.

 

Wat is de volgende stap?

Op heel korte termijn gaan we nieuwe helikoptervluchten doen om meer metingen te doen waarbij we wat meer diverse landschappen kunnen meten. Zo zullen we bijvoorbeeld ook in het hooggebergte onze metingen doen om te kijken of we ook daar het juiste signaal kunnen vinden.

Nadien is het de bedoeling metingen van de Aarde te doen vanuit de ruimte. En dat zal belangrijk zijn om een idee te krijgen van wat voor signalen we uiteindelijk kunnen verwachten en in welke grootteorde als we in staat zijn om exoplaneten te meten met circulaire polarisatie. 

 

 

Helikoptervlucht in Zwitserland van de TreePol polarimeter

Copyright afbeelding: Lucas Patty / University of Bern

 

 

Die metingen in de ruimte zouden vanuit het internationale ruimtestation zijn?

Ja, op het ISS hebben ze allerlei modules waarop wij ook een meettoestel kunnen plaatsen. Dat instrument dat ook geschikt is om vanuit de ruimte circulair gepolariseerd licht meten zijn we momenteel volop aan het ontwikkelen samen met de Sterrenwacht Leiden en de Technische Universiteit Delft.

 

En dan zijn er de al erg concrete plannen om binnenkort terug naar de Maan zal gaan. Opent die locatie niet ideale perspectieven met het oog op jullie onderzoek? De Maan staat immers op zowat 400.000 km, dat lijkt me een mooie afstand om met de TreePol spectropolarimeter te zien welke sporen van leven er op Aarde kunnen gedetecteerd worden.

Klopt. En een voordeel is ook dat als je vanop de Maan meet, je je ver genoeg bevindt om metingen te doen waarbij de Aarde niet al te zeer ruimtelijk opgelost is. De Sterrenwacht Leiden en de TU Delft werken samen aan het project LOUPE. LOUPE staat voor Lunar Observatory for Unresolved Polarimetry of Earth, en  daarbij is het plan een lineaire polarimeter op de Maan te plaatsen met als bedoeling de Aarde te bestuderen als was het een exoplaneet. Die zou dan slechts één enkele pixel groot zijn. Iets vergelijkbaars zou inderdaad ook zeer interessant zijn voor circulaire polarisatie.

Als we vanuit het ISS meten, is daar een bijkomend voordeel dat het mogelijk is vanaf daar verschillende zones te onderscheiden en dat je kan onderzoeken welke vegetatiegebieden interessant zijn en welke niet. Want momenteel is het nog helemaal niet duidelijk als we bijvoorbeeld boven Noord-Amerika vliegen wat voor signalen we met onze detector zullen opvangen en met welke sterkte. We zijn immers nog maar in het prille beginstadium van dit onderzoek, en we hebben vele metingen nodig om ons project verder te kunnen ontwikkelen.

 

Exoplaneten en buitenaards leven, dat zijn onderwerpen die tot eenieders verbeelding spreken en die het sterrenkundig onderzoek ook bij de overheid en het grote publiek de nodige populariteit bezorgen. Is het bijgevolg gemakkelijk om voor jullie projecten voldoende fondsen bijeen te brengen?

Goh, geld is altijd wel een probleem, want het kost natuurlijk wel behoorlijk wat aan materiaal en werkuren om dergelijk onderzoek te ontwikkelen en te testen op steeds grotere schaal. Maar we hebben toch goede hoop dat er uiteindelijk voldoende fondsen zullen binnenkomen. Maar dat dossier is momenteel nog in behandeling.

 

En die financiële zorgen zijn eerder een zorg voor jullie projectleider?

Precies, dat is het voordeel voor mij als postdoc dat ik mij puur met de wetenschap kan bezighouden.

 

Hoe groot schat jij kans, Lucas, dat we binnen afzienbare tijd buitenaards leven ontdekken?

Persoonlijk acht ik die kans wel zeer groot, ja. Met de methode waarmee wij werken is het vrij moeilijk is om de juiste metingen te doen van exoplaneten, daarvoor heb je heel krachtige telescopen nodig om voldoende contrast te krijgen. Maar ik denk sowieso dat we via andere methodes binnen niet al te lange tijd indicaties van leven elders kunnen verwachten.

 

Zouden die dan komen van bij exoplaneten? Want in ons eigen zonnestelsel zijn er toch ook een aantal interessante oorden waar leven zou kunnen zijn, neem de ijsmanen Europa bij Jupiter en Enceladus bij Saturnus.

Exoplaneten hebben het voordeel dat er zoveel van zijn, dat maakt de kans natuurlijk groter, maar dat neemt niet weg dat onderzoek naar Europa en Enceladus zeer zeker de moeite waard is.

 

Wetenschappers die zoeken naar sporen van leven op Mars zijn wellicht ook erg geïnteresseerd in jullie werkwijze?

Voor het onderzoek naar leven op Mars zal men wellicht vooral kijken naar leven dat uitgestorven is, naar fossielen, omdat Mars in de loop van zijn geschiedenis een veel warmere periode heeft gekend met vloeibaar water. Maar uiteraard zijn wetenschappers die onderzoek doen naar tekenen van leven over het algemeen wel geïnteresseerd in alle mogelijke nieuwe ontwikkelingen binnen hun branche.

 

En vergelijkbaar met de metingen aan boord van het ISS zou iets gelijkaardigs kunnen gebeuren met behulp van satellieten rond Mars of elders in het zonnestelsel?

Ja zeker. Bij Mars is er natuurlijk het gegeven dat de kans op leven aan het oppervlak van de planeet vrij klein is door de daar heersende condities die vijandig zijn voor biologische organismen. Maar het zou zeker een goed idee zijn om via een soortgelijke techniek Europa en Enceladus aan een nader onderzoek te onderwerpen. Er zijn daar geiserpluimen gedetecteerd die hoog opspuiten, wat wijst op cryovulkanisme. Als we er in slagen die wolken in voldoende hoge resolutie te meten, kunnen we nagaan of er daar homochirale moleculen of systemen inzitten.

 

 

Verschillende metingen van circulaire polarisatie bij levende organismen.

Copyright: Lucas Patty / University of Bern

 

 

Wat is onder biologen eigenlijk de meest gangbare theorie over de oorsprong van het leven op Aarde?

Dat is nog steeds voer voor verhitte discussies, er zijn immers meerdere theorieën daarover. Je kan het probleem terugbrengen tot de vraag: tot welk moment hebben we te maken met georganiseerde chemie en vanaf welk moment mag je dat dan definiëren als leven? En ik denk dat daar niet veel eenstemmige visies op zijn momenteel.

 

En dan heb je de stap van eenvoudig bacterieel leven zoals wij het miljarden jaren op Aarde gekend hebben tot geëvolueerd intelligent leven zoals wij dat interstellair kan communiceren. Is volgens jou een dergelijke evolutie er één die zich ook vaak elders zal voordoen? Of is het in ons geval eerder een ‘schitterend ongeluk’?

Gezien de hoeveelheid tijd die het heeft gekost totdat meercelligheid zich op Aarde heeft ontwikkeld, is die stap duidelijk veel moeilijker. Als we op zoek gaan naar tekenen van leven, moeten we niet verwachten dat we heel complexe organismen zullen tegenkomen, mijn inziens is het veel aannemelijker dat we een soort bacteriën zullen vinden.

 

Projecten zoals de Breakthrough Initiatives van miljardair Yuri Milner spreken natuurlijk tot de verbeelding, maar we moeten er best niet al te veel van verwachten?

Zo denk ik er toch over. Daar moet dan wel als kanttekening bij gemaakt worden dat het heelal supergroot is. Maar ik zou zeggen dat er sowieso meer ééncellig leven te vinden is in het heelal dan meercellig leven. En bovendien zijn complexe levensvormen veel fragieler dan ééncellig leven. Trek dan zelf maar je conclusies…

 

We kijken alleszins vol verwachting uit naar de verdere evolutie van TreePol, Lucas, veel succes ermee! En dank voor het boeiende gesprek.

 

Tekst: Francis Meeus, september 2021