‘Het onderzoek naar exoplaneten draait om de oorsprong van alles’, vertelt promovendus Ernst de Mooij. ‘Waar komen sterren vandaan? Zijn er andere planeten? Hebben die leven?’
Die laatste vraag zorgt ervoor dat exoplaneten – planeten die buiten ons eigen zonnestelsel liggen – meer aandacht krijgen dan andere takken van sterrenkunde. Maar als je De Mooij vraagt of hij de ontdekking van buitenaards leven nog mee gaat maken, kijkt hij twijfelachtig. ‘De effecten die ik onderzoek zijn erg subtiel. Als we het op aarde toepassen, levert dat een signaal op van ongeveer een honderdste van een procent. De atmosfeer van de aarde is tien tot twintig kilometer dik; honderd tot duizend keer kleiner dan bij de planeten die ik bestudeer. Zullen we ooit een planeet vinden met tekenen van leven? En zo ja, is er dan een telescoop met de juiste instrumenten? Met de Extremely Large Telescope die rond 2020 in gebruik komt zou het net moeten kunnen, maar het wordt wel superlastig meten.’
Het onderzoek waarop De Mooij deze week is gepromoveerd, is dan ook verricht op planeten die heel anders zijn dan de aarde. Ze hebben prozaïsche namen als TrES-3b, HAT-P-1b en WASP-33b, en het zijn zogeheten hete Jupiters. Ze heten ‘Jupiter’ omdat ze net als de gelijknamige planeet gigantische gasbollen zijn, ongeveer duizend keer zo zwaar als de aarde. En ze zijn ‘heet’ omdat ze vlakbij hun moederster staan. TrES-3b, bijvoorbeeld, staat ongeveer 45 keer zo dicht bij de ster GSC 03089-00929 als de aarde bij de zon. Het gas op de planeten is duizend tot duizenden graden heet. Op herkenbaar leven hoeven we daar niet te hopen.
Biologen kunnen dan misschien weinig plezier beleven aan de gloeiend hete gasbollen, maar sterrenkundigen des te meer. ‘Hete Jupiters zijn heel extreme objecten, die we niet verwacht hadden te vinden. Er is in de sterrenkunde een flinke discussie gaande over hoe ze precies worden gevormd. In ons eigen zonnestelsel staan de gasreuzen veel verder van de ster af.’
Omdat ze zo gasvorming en zo reusachtig en zo dichtbij hun ster zijn, is het makkelijker om te meten aan de Jupiters dan aan aarde-achtige exoplaneten. Aan hun atmosfeer, bijvoorbeeld. De Mooij was de eerste wetenschapper die dat deed met een telescoop op aarde. Het licht van de ster reist door de dampkring van de planeet, maar een gedeelte van het licht blijft achter. Dat is hoe je aan de aarde zou kunnen zien dat er leven is: dankzij ademende planten bestaat twintig procent van de lucht hier uit zuurstof. Een zuurstofhoudende atmosfeer absorbeert andere gedeelten van het zonlicht dan een atmosfeer die uit louter stikstof of methaan bestaat.
Zo’n kant-en-klaar absorptieplaatje is voor de hete Jupiters niet te maken. Omdat ze zo heet zijn, absorbeert het gas al het sterlicht, om het bijna direct weer uit te zenden. Toch kan De Mooij nog wel conclusies trekken over de planetaire atmosferen, via een omweg. ‘De manier waarop de atmosfeer straling uitzendt, geeft je informatie over de temperatuurstructuur.’ Het moet er woest aan toegaan op de gasreuzen: de kant waar het dag is, wordt veel heter dan de nachtzijde. Dat temperatuurverschil – soms wel duizend graden - moet zorgen voor ongehoord hevige stormen op deze exoplaneten.
In het laatste hoofdstuk van zijn proefschrift somt De Mooij de resultaten van al het onderzoek naar exoplaneet-atmosferen op. Waar de atmosferen van de hete Jupiters precies uit bestaan, is nog onbekend. Wel lijkt het erop dat een gedeelte van deze planeten een eigenschap gemeen heeft met de aarde: een zogeheten inversielaag.
Als je vanaf het aardoppervlak omhoog gaat, wordt het steeds kouder, maar vanaf een kilometer of twaalf warmt het weer een beetje op. Dat komt bij ons door de ozonlaag, die ultraviolet licht absorbeert. Ook op de hete Jupiters zit er een warmere schil van gas om een koele atmosfeer, alleen is het molecuul dat daar voor verantwoordelijk is nog niet geïdentificeerd.
Kortom: voor buitenstaanders leveren de aardse metingen aan exoplaneten niet heel erg veel informatie op. Dat komt omdat het zulk priegelwerk is: de sterren staan ver weg, en stralen veel sterker dan hun planeten. Als er aan de andere kant van de stad een bouwlamp staat en daar cirkelt een vuurvliegje omheen, is het al heel wat als je dat beest überhaupt kunt detecteren. Bepalen welke van de tweeduizend soorten vuurvlieg het precies is, wordt lastiger. De Mooij: ‘De belangrijkste conclusie van mijn proefschrift is eigenlijk dat je dit soort metingen vanaf de aarde kunt doen. Als ik dat op feestjes uitleg, zijn de meeste mensen stomverbaasd.’