Bewoonbare Zone: De Gordel waar 40 Miljard Aardes zich kunnen Verbergen

De gegevens van de Kepler ruimtetelescoop, aangekondigd op 4 november 2013, wezen op ongeveer 40 miljard Aarde-grote werelden die in zones zouden kunnen draaien waar vloeibaar water zou kunnen overleven rond Zon-achtige sterren en rode dwergen verspreid over de Melkweg. Dit enkele getal herformuleerde hoe astronomen over onze galaxis spreken — niet als een verstrooiing van sterren, maar als een dicht veld van plaatsen waar vloeibaar water plausibel op een rotsachtig oppervlak zou kunnen ophopen.

De bewoonbare zone zelf is een bedrieglijk eenvoudig idee: het bereik van afstanden van een ster waar een planeet warm genoeg zou kunnen zijn om vloeibaar water vast te houden maar niet zo heet dat het verdampt. Het klinkt als basisgeometrie, maar de echte wetenschap is rommeliger — de atmosfeer van een planeet, zijn baan en het temperament van zijn eigen ster duwen allemaal grenzen omheen. Deze gids loopt door waar het idee vandaan komt, wat het werkelijk voorspelt en waar het afbreekt.

De term bewoonbare zone verscheen mogelijk voor het eerst in 1913, in het boek Are The Planets Inhabited? van astronoom Edward Maunder — tientallen jaren voordat iemand een enkele planeet buiten ons eigen zonnestelsel had bevestigd. Maunder redeneerde vanuit eerste principes: de temperatuur van een planeet hangt af van zijn afstand tot zijn ster, dus er zou een band moeten zijn waar die temperatuur vloeibaar water toestaat.

De moderne versie van het concept, degene die astronomen werkelijk vandaag de dag gebruiken, werd in 1959 voorgesteld door astrofysicus Su-Shu Huang, die het bouwde rond de klimaatbeperkingen die een gastster op elke planeet die eromheen draait oplegt. Huangs framework is waarom de zin "bewoonbare zone" nu in bijna elk aankondiging van exoplanetontdekking voorkomt — het geeft verslaggevers en onderzoekers gelijk een snelle afkorting voor "deze planeet is ongeveer op de juiste afstand".

Kepler-452b is een van de duidelijkste voorbeelden van het idee in actie. Het draait zijn ster op 1,04 AU (156 miljoen km) — bijna precies de afstand van de Aarde tot de Zon — en voltooit een baan elke 385 dagen, met een straal ongeveer 1,63 keer die van de Aarde en een massa minstens drie keer die van de Aarde. Wat het nog opmerkelijker maakt is tijd: Kepler-452b heeft het grootste deel van zijn bestaan in de bewoonbare zone van zijn ster doorgebracht, net iets meer dan zes miljard jaar en tellende, langer dan de Aarde in totaal heeft bestaan.

Niet elke bewoonbare-zone planeet draait een ster zoals de Zon. TRAPPIST-1's effectieve temperatuur is slechts 2.566 K (2.293°C); dat maakt het vanaf 2022 de koudste bekende ster met planeten — een herinnering dat de zone naar binnen verschuift, niet naar buiten, rond zwakke, koude sterren. En het zoeken is niet beperkt tot kleine, rustige systemen: 55 Cancri f werd gevonden orbitaal in de bewoonbare zone van zijn ster, 55 Cancri A, onderdeel van een systeem dat de enige naast de onze bekend is die vijf planeten huisvest. Het 55 Cancri systeem ligt 41 lichtjaar weg en weerspiegelt de vorm van ons eigen zonnestelsel — vier planeten dicht opeen en één reuzenwereld verder weg — maar heeft geen tegenhanger met Aarde of Mars. Die vijfde planeet, 55 Cancri f, is ongeveer half zo groot als Saturnus, minstens 45 keer Aardes massa, en voltooit een baan op 0,785 AU elke 260,8 dagen — een gasreus zittend waar een rotsige wereld zou kunnen worden verwacht.

In de bewoonbare zone zitten zegt niets over waaruit een planeet werkelijk bestaat, en dat is waar dichtheidsgegevens essentieel worden. In de gekende exoplanetenpopulatie bereikt de dichtheid een piek van 7,6 gram per kubieke centimeter voor planeten rond 1,4 Aardstralen — dichter, bij die grootte, dan bijna alles anders in de telling. Voorbij ongeveer 1,5 Aardstralen daalt de planetaire dichtheid echter snel, een teken dat deze werelden een dikke laag vluchtige stoffen over een rotsachtige kern dragen in plaats van helemaal rots te zijn. Een bewoonbare-zone planeet die op papier Aarde-groot lijkt, zou in de praktijk een kleine gasboom zonder vast oppervlak kunnen zijn.

Het schatten van hoe algemeen deze planeten zijn, is een bewegend doel. Een studie uit 2013 van Dressing en Charbonneau gebruikte Kepler-gegevens om te berekenen dat koude sterren ongeveer 0,15 Aarde-grootte bewoonbare-zone planeten per ster dragen. Een latere heranalyse verhoogde die schatting naar 0,48 tot 0,53 bewoonbare-zone planeten per rode dwerg, afhankelijk van hoe conservatief de randen van de zone worden getrokken — meer dan het drievoudige van de oorspronkelijke figuur, alleen door de aannames aan te passen over waar de zone begint en eindigt. Die schommeling is een bruikbare les: de bewoonbare zone is geen vaste, universeel akkoorde lijn, het is een werkende schatting die verandert naarmate de modellen verbeteren.

Zelfs een planeet zittend in het geometrische midden van de bewoonbare zone van zijn ster hangt af van die ster die voorspelbaar gedraagt. De Zon zelf blijft opmerkelijk stabiel, met totale helderheid die slechts 0,1% verschuift over zijn ongeveer 11-jarige cyclus van zonnige activiteit — een veel zachter wankelen dan gezien in sterren die veel meer pulseren en violenter flikkeren, en een groot deel van waarom Aarde's klimaat over geologische tijd bewoonbaar is gebleven. Stabiliteit is niet gegarandeerd, en de afwezigheid ervan laat een spoor na: een 70-jarige onderbreking in zonnevlekken genaamd het Maunder Minimum, dat zich uitstrekt over de late 17e en vroege 18e eeuw, is gekoppeld aan de koudste periode van de Kleine IJstijd, toen Europa en Noord-Amerika gruwelijk koude winters verdroegen. De kleine fluctuaties van een ster in output kunnen het klimaat van een hele planeet over generaties voortduwen.

De bewoonbare zone wordt meestal als een schone ring getrokken, maar weinig planeten reizen het eigenlijk op een cirkelvormig pad. Gemeten baanexcentriciteiten van exoplaneten hebben onderzoekers verrast: 90% zijn excentrischer dan alles in het Zonnestelsel, en de gemiddelde excentriciteit is 0,25. Een planeet op een uitgerekte, elliptische baan kan in de loop van één jaar van de buitenrand van de bewoonbare zone naar de binnenrand en terug zwaaien, waardoor een stabiel uitziende "zone" in een veel hardere, meer variabele rit wordt omgezet.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability