Na een reeks missies die mislukten, werden in juli 1965 de eerste succesvolle rondvluchten boven Mars gemaakt. De Amerikaanse Mariner 4 werd het eerste ruimtevaartuig dat van dichtbij foto’s van een andere planeet maakte, door 22 beelden van het door inslagen beschadigde Marsoppervlak naar de aarde terug te zenden. Sindsdien hebben meer dan 20 succesvolle missies de atmosfeer en het oppervlak van de rode plant verkend.
Dankzij de verzamelde beelden en gegevens – en door telescopen, zowel op aarde als in de ruimte – weten we nu dat miljarden jaren geleden, Mars de drie kritische ingrediënten voor leven bezat. Het had een overvloed aan chemische bouwstenen, vloeibaar water op zijn oppervlak en een energiebron (vulkanische activiteit) om de chemische reacties aan te drijven die leven mogelijk maken (op aarde is die energiebron de zon). Vandaag de dag wordt het onherbergzame oppervlak van Mars ongeschikt geacht voor leven, maar de mogelijkheid dat er diep onder het bevroren oppervlak leven bestaat, is niet uitgesloten. Tot op heden zijn er echter geen bewijzen gevonden voor leven – oud of niet – op Mars. Dat Mars bewoonbaar is, blijkt niet te betekenen dat er ook daadwerkelijk een habitat is.
Bron: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Mars heeft alle ingrediënten voor leven – water, chemicaliën en energie – maar nog geen tekenen van levende wezens
De zoektocht naar Martiaans leven is aan de gang, met nog eens drie missies naar Mars die gepland zijn om in de komende paar jaar te lanceren. Op langere termijn wil een aantal ruimtevaartorganisaties ook monsters van Mars verzamelen en deze naar de aarde terugsturen voor een grondiger analyse. En de zoektocht naar tekenen van buitenaards leven strekt zich uit tot in de diepten van ons zonnestelsel en daarbuiten.
Europa
De gasreus Jupiter, de volgende planeet na Mars in het zonnestelsel, is onherbergzaam voor leven in elke thans denkbare vorm. Maar zijn ijzige manen – vooral Europa – hebben potentieel. Een aantal missies is langs Jupiter en zijn manen gevlogen op weg naar andere plaatsen, maar de Galileo-missie van de NASA was de eerste die specifiek ontworpen was om in een baan om de planeet te draaien en zijn manen te bestuderen. Deze missie heeft van 1995 tot 2003 beelden en gegevens verzameld in het Joviaanse stelsel, waarbij Europa 12 keer werd gepasseerd.
Bron: NASA/JPL-Caltech/SETI Institute
Jupiters maan Europa is een van de meest waarschijnlijke plaatsen om leven buiten de Aarde te herbergen, met zijn vloeibare oceanen en gravitatie-energiebronnen
Foto’s en gegevens verzameld door dit ruimtevaartuig suggereren dat Europa een gelaagde structuur heeft zoals de Aarde: een ijzerrijke kern, een rotsachtige mantel en een korst van ijs. Metingen van magnetische velden hebben een elektrische stroom binnenin aangetroffen, die consistent is met een zoute vloeibare oceaan onder de dikke ijskorst rond de hele planeet. Foto’s waarop enorme scheuren in het ijs te zien zijn, genomen door dezelfde missie, ondersteunen dit idee.
Europa’s oppervlak lijkt op het zee-ijs van de aarde in Antarctica, legt François Poulet van het Instituut voor Ruimte Astrofysica van de Université Paris-Sud in Frankrijk uit: ‘Het geeft aan dat het ijs geologisch gezien vrij jong is en het zou een bewijs kunnen zijn van de interactie met een reservoir van vloeibaar water.’ In december 2012 ontdekte de Hubble-ruimtetelescoop ook waterdamp boven Europa’s zuidpool en er werd voorgesteld dat dit afkomstig was van uitbarstende waterpluimen. Ruimtevaartuigen hebben deze pluimen echter nog niet gezien, dus als ze bestaan, moeten ze met tussenpozen zijn.
Dus Europa heeft waarschijnlijk water. Maar hoe zit het met de andere twee noodzakelijke componenten om bewoonbaar te zijn? Europa heeft een bron van warmte-energie, afkomstig van de wrijving die ontstaat doordat Europa in verschillende stadia van zijn elliptische baan met verschillende hoeveelheden in het zwaartekrachtsveld van Jupiter wordt getrokken. Er is ook veel straling rond Jupiter om chemische reacties op gang te brengen (sterk genoeg om ook zeer snel alle gevormde organische verbindingen te vernietigen). Maar of het de juiste ruwe chemische ingrediënten heeft, is nog niet bekend; modellen suggereren dat het zou kunnen, maar er zijn meer harde gegevens nodig.
In 2022 zijn zowel de European Space Agency (ESA) als Nasa van plan om ruimtevaartuigen te lanceren die Europa van dichtbij zullen gaan bekijken. ESA’s Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) zal er ruim zeven jaar over doen om het Joviaanse stelsel te bereiken. We zullen eind 2029 aankomen en in 2030 operationeel zijn,’ zegt Poulet, lid van het team dat de zichtbare en infraroodspectrometer aan boord, Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer), ontwikkelt. Het hoofddoel van de Juice-missie is Ganymedes, een andere maan van Jupiter, maar Europa zal twee flybys krijgen. Majis zal de oppervlaktesamenstelling van deze maan karakteriseren en – samen met de UV-spectrometer aan boord – de samenstelling van Europa’s zeer ijle atmosfeer bepalen. Andere camera’s en spectrometers zullen ook helpen inzicht te krijgen in het inwendige en de korst van deze ijzige wereld.
Voor Nasa’s Europa Clipper missie is Europa de ster van de show. De voor de hand liggende missie zou zijn om een paar jaar rond Europa te draaien, maar elk ruimtevaartuig dat dit doet zou worden blootgesteld aan levensverkortende straling van Jupiter. In plaats daarvan zal Europa Clipper in een baan om Jupiter draaien, waarbij het in en uit zijn stralingsgordel zal dippen. Het zal over een periode van drieënhalf jaar ten minste 45 keer Europa van dichtbij passeren. Een mix van camera’s en spectrometers zal de maan en zijn ijle atmosfeer onderzoeken. Als er waterpluimen boven de Zuidpool bestaan, zal het ook daar doorheen kunnen vliegen en zo rechtstreeks de chemische samenstelling van de oceaan van de maan kunnen meten. Als de Europa Clipper in 2022 wordt gelanceerd, zijn er twee mogelijke aankomsttijden: 2025, als Nasa’s nieuwe Space Launch System (SLS) dat momenteel in ontwikkeling is, wordt gebruikt, of januari 2030, als een traditionele raket wordt gebruikt.
Enceladus
De manen van Jupiters buurman Saturnus zijn ook topdoelen in de zoektocht naar buitenaards leven, met name Enceladus en Titan. Cassini arriveerde in 2001 in het Saturnus-systeem en voerde 23 flybys uit van Enceladus en 127 van Titan voordat de missie eindigde in september 2017.
Bron: NASA/JPL/Space Science Institute
Enceladus, die in een baan om Saturnus draait, zou hydrothermale openingen hebben, zoals die waarmee het leven op aarde mogelijk een kickstart heeft gekregen
De eerste flyby van Enceladus wekte het signaal op dat het niet het luchtloze ijzige lichaam was waarvan eerder werd uitgegaan, legt Cassini-projectwetenschapper Linda Spilker uit. Dus ging Cassini dichterbij, en nog eens dichterbij. Bij de derde flyby ontdekten we in het thermische infrarood een hete zuidpool en zagen we van dichtbij de vier tijgerstreepbreuken,’ zegt ze. De tijgerstreepmarkeringen in de buurt van de zuidpool zijn 200°C warmer dan de rest van de maan. Net als bij Europa wordt aangenomen dat wrijving veroorzaakt door zwaartekracht van Saturnus ervoor zorgt dat Enceladus van binnenuit opwarmt.
Deze derde flyby verzamelde ook bewijs van een pluim van materiaal dat uit de strepen spuit. Dat heeft ons natuurlijk nog meer geïntrigeerd over Enceladus,’ zegt Spilker. Een aantal van de volgende 20 flybys vlogen direct door de pluim en namen monsters van de gassen en deeltjes die zich daarin bevonden. Toen vonden we waterdamp, een zout reservoir en organische stoffen.’
De ion- en neutrale massaspectrometer aan boord van Cassini detecteerde organische moleculen in de pluimen, zowel in de gassen als in de deeltjes erin, tot aan de limiet van het instrument. ‘Ze konden tot 100 atomaire massa eenheden detecteren. Er zijn groepen van C2 tot C6 en mogelijk verder,’ legt Spilker uit.
We vonden waterdamp, een zoutreservoir en organische stoffen uit de polaire jets van Enceladus
Hoewel het ‘erg opwindend was om deze organische stoffen te vinden’, is het nog niet mogelijk om te zeggen of ze door levende wezens zijn gevormd of niet, legt ze uit. Het instrument heeft geen manier om dat onderscheid te maken, we moeten teruggaan met krachtigere massaspectrometers, die een veel groter bereik hebben en kunnen zoeken naar grote-keten moedermoleculen zoals aminozuren en vetzuren.’
Andere spannende bevindingen in de pluimgegevens waren de overmaat aan waterstof en de detectie van minuscule korrels nanosilica, die zich alleen in zeer heet water kunnen vormen. Die twee stukjes informatie samen wijzen op bewijs voor hydrothermale bronnen op de zeebodem van Enceladus,’ zegt Spilker. Hydrothermale openingen ontstaan op plaatsen waar zeewater en magma samenkomen. Water gaat door scheuren naar beneden de kern in, wordt verhit en komt er dan met kracht weer uit.
Op aarde wemelt het in hydrothermale bronnen van organismen die nergens anders worden gezien. Deze microben halen hun energie uit de voedingsstoffen in de mineraalrijke vloeistoffen die uit de aardkern omhoog komen. Men denkt dat zij de enige organismen op aarde zijn die hun energie niet van de zon krijgen. Hydrothermale openingen op Enceladus, en andere planetaire lichamen, zijn daarom potentiële plaatsen voor leven.
Enceladus zou, net als Europa, een wereldwijde oceaan onder zijn ijzige oppervlak hebben. Een studie van 10 jaar Cassini-gegevens, waarbij gekeken werd naar de trilling van de maan, wees uit dat de kern en de korst niet aan elkaar vastzitten. Een manier om ze te ontkoppelen is een wereldwijde oceaan van vloeibaar water,’ zegt Spilker. Er zijn nu schattingen dat deze wereldwijde oceaan op Enceladus honderden miljoenen tot zelfs miljarden jaren oud zou kunnen zijn – hij zou zelfs al kunnen bestaan sinds de tijd dat Enceladus werd gevormd.’ Dat is opwindend, want het betekent dat er een enorme hoeveelheid tijd in een enorm waterlichaam is geweest om mogelijk leven te vormen, legt ze uit.
De door Cassini verzamelde gegevens laten zien dat Enceladus de drie ingrediënten heeft die nodig zijn om leven te ondersteunen, maar er is nog geen bewijs gevonden dat er daadwerkelijk leven aanwezig is. Telescopen, legt Spilker uit, zijn niet erg geschikt om deze maan te onderzoeken: “Enceladus is heel klein, en hij staat heel dicht bij Saturnus, waardoor het moeilijk is om hem vanaf de aarde waar te nemen. En om die reden is een volgende missie hier wenselijk, legt ze uit.
Titan
Cassini was niet het eerste ruimtevaartuig dat de manen van Saturnus bezocht. De Voyager 1 bezocht het gebied in 1980. Toen onderzoekers, nadat Cassini de pluimen van Enceladus had ontdekt, enkele van deze oude beelden opnieuw bewerkten, realiseerden ze zich dat de jets 25 jaar eerder al op de gevoelige plaat waren vastgelegd.
Het was echter Titan dat het hoofddoel was van Nasa’s Voyager-missie. In 1944 ontdekten astronomen met behulp van telescopen dat deze maan een dikke methaanatmosfeer had. Uit gegevens van de Voyager-ruimtevaartuigen bleek vervolgens dat de atmosfeer vooral uit stikstof bestond, een paar procent methaan en kleinere hoeveelheden koolwaterstoffen zoals ethaan, propaan en acetyleen. Halverwege de jaren negentig hadden we metingen van het Infrared Space Observatory die ons hielpen een aantal complexere moleculen te vinden,’ vertelt Sarah Hörst, een atmosferisch chemicus aan de Johns Hopkins University in Baltimore, VS. Benzeen was het zwaarste molecuul dat we kenden vóór Cassini,’ voegt ze eraan toe.
De chemie op Titan wordt heel snel heel ingewikkeld
‘Cassini kwam daar aan en begon metingen aan de atmosfeer te doen en in plaats van dingen te vinden die een massa van 78 hadden, zoals benzeen, ontdekte Cassini dat er aan de bovenkant van Titans atmosfeer ionen zijn die massa’s van meer dan 10.000 hebben,’ zegt Hörst. Dat zijn dus zeven- of achthonderd koolstofatomen in plaats van zes of zeven koolstofatomen.’
De instrumenten aan boord van Cassini – en zijn Huygens-sonde, die in januari 2005 op Titan landde – waren niet in staat om deze ionen te identificeren, alleen om te bevestigen dat ze bestaan. Deze moleculen worden gevormd wanneer de stikstof en het methaan aan de buitenkant van de atmosfeer worden afgebroken door ultraviolet licht en straling, en vervolgens op allerlei manieren weer samenkomen. De chemie wordt op Titan heel snel heel ingewikkeld,’ legt Ralph Lorenz, eveneens van de Johns Hopkins Universiteit, uit. Hörst is het daarmee eens: ‘Een van de belangrijkste dingen die Cassini ons over Titan heeft verteld, is dat de chemie nog gecompliceerder is dan we al dachten voordat we daar aankwamen.’
Titan zou ook een oceaan van vloeibaar water onder zijn ijzige oppervlak hebben. De ijskorst op Titan is waarschijnlijk veel dikker dan die op Europa en Enceladus,’ zegt Hörst. Net als bij de andere manen met een oceaan onder de oppervlakte, zou er ook hier leven kunnen zijn. Maar dit is niet de enige omgeving op Titan waar leven zou kunnen ontstaan.
Titan heeft meren over zijn polen. Het is de enige plek, buiten de Aarde, waar een vloeistof op het oppervlak voorkomt. Maar met een oppervlaktetemperatuur van -180°C kunnen ze geen water bevatten. De Cassini missie heeft vastgesteld dat ze vol zitten met superkoud ethaan en methaan, gassen die op aarde voorkomen. Op Titan snijden deze vloeibare koolwaterstoffen rivierdalen uit, vormen wolken en vallen als regen. Maar kunnen ze ook dienen als oplosmiddel voor leven?
‘Als er organismen op het oppervlak zijn, moeten ze een heel andere chemie gebruiken dan wij,’ legt Hörst uit. Die zou nog steeds gebaseerd kunnen zijn op koolstof, stikstof, waterstof en zuurstof. Het zou gewoon een andere reeks moleculen kunnen zijn die beter werken bij die temperaturen met dat oplosmiddel.’
Organisch materiaal valt voortdurend uit de atmosfeer
‘We begrijpen niet echt het volledige scala aan chemische mogelijkheden in een apolair oplosmiddel zoals vloeibaar methaan,’ legt Lorenz uit. Er is gespeculeerd dat het mogelijk zou kunnen zijn om membranen te vormen met acrylonitril. Het idee is dat een dergelijke assemblage een azotosoom wordt genoemd, een analoog van het liposoom in de conventionele biologische chemie. Door de methaanminnende en methaanhatende uiteinden van de moleculen zou acrylnitril zich kunnen schikken in een bolvormig blaasje dat in staat is de ene set chemicaliën te isoleren van de andere.
‘We kennen enkele mogelijkheden voor de functies die acrylnitrilchemie moet vervullen om uiteindelijk levend te worden, maar we weten niet hoe alle stappen zouden kunnen worden uitgevoerd. We weten natuurlijk ook niet hoe al die stappen in water zouden kunnen worden uitgevoerd,’ zegt Lorenz. Dat zijn dus twee verschillende omgevingen waarin we naar leven op Titan moeten zoeken. We kunnen zoeken naar leven zoals we dat kennen, maar ook naar leven zoals we dat niet kennen, wat de zaken compliceert.’
Hörst en Lorenz maken deel uit van een missie in de ideeënfase die precies dit beoogt te doen. In december 2017 kondigde Nasa verdere financiering aan om de mogelijkheid te ontwikkelen om een drone-achtig rotorvliegtuig genaamd Dragonfly te sturen om de prebiotische chemie van Titan te verkennen. In het voorjaar van 2019 zal Nasa bekendmaken of Dragonfly al dan niet zal opstijgen.
‘Als we het geluk hebben dat Dragonfly wordt gefinancierd, zouden we in 2025 lanceren en komen we in 2034 op Titan’, legt Lorenz uit. Dragonfly zou een quadcopter zijn die enkele tientallen kilometers in een uur kan vliegen, verder dan welke planetaire rover ooit heeft gereisd. De eigenaardigheden van de omgeving van Titan, met zijn lage zwaartekracht en dikke atmosfeer, betekent dat het heel gemakkelijk is om het lab met behulp van rotors te verplaatsen. We kunnen opstijgen en steeds interessantere doelen onderzoeken,’ zegt hij.
Dragonfly zou een reeks instrumenten moeten bevatten om de chemie van Titans oppervlak en atmosfeer te bestuderen. Hij zou ook onder het oppervlak kunnen sonderen met een boor en een gammastralingsspectrometer. Hörst: “We kunnen informatie verzamelen over dingen die je niet per se kunt zien als we alleen naar het oppervlak kijken. Er valt voortdurend organisch materiaal uit de atmosfeer en dat kan verhullen wat eronder zit.’
Vóór 2034 zullen er nog telescopen worden gebruikt om Titan te bestuderen. De Atacama Large Millimetre Array, een radiotelescoop-array in de Atacama-woestijn in Zuid-Amerika, is echt een ongelooflijke bron voor ons,’ zegt Hörst. Zij gebruiken Titan als een kalibratiedoel en al die gegevens zijn openbaar beschikbaar. Met behulp van die gegevens ontdekken mensen nu al een behoorlijk aantal nieuwe moleculen in Titans atmosfeer. De telescoop zal het ook mogelijk maken om informatie te ontdekken over hoe deze moleculen in Titans atmosfeer zijn verdeeld. ‘En als James Webb eenmaal gelanceerd is, kunnen we hopelijk ook goede Titan-wetenschap uit die telescoop halen.’
Buiten ons zonnestelsel
De James Webb Space Telescope (JWST) wordt volgens planning in de eerste helft van 2019 gelanceerd. Hij zal ‘parkeren’ in Lagrangepunt twee, een locatie in de diepe ruimte waar de zwaartekracht van de zon, de aarde en de maan elkaar opheffen. Hij zal daar gewoon blijven zitten en rond dat punt in de ruimte draaien”, legt Nikole Lewis uit, een astronome aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, VS, waar de JWST wordt ontwikkeld. Het is ook het centrum voor wetenschapsoperaties voor de Hubble-ruimtetelescoop.
Naast het bestuderen van planeten en manen in ons zonnestelsel, zal de JWST verder kijken dan ons zonnestelsel en zich aansluiten bij de studie van exoplaneten die het potentieel hebben om leven te herbergen. In februari 2017 werd bekendgemaakt dat de ster Trappist-1 zeven planeten ter grootte van een aarde om zich heen heeft draaien. Dit zonnestelsel, dat slechts 39 lichtjaar van ons verwijderd is, lijkt sterk op ons eigen zonnestelsel. En ten minste drie van de planeten bevinden zich in de zogenaamde bewoonbare zone, wat betekent dat ze vloeibaar water op hun oppervlak zouden kunnen herbergen.
De Trappist-1 planeten werden gevonden met behulp van de Spitzer-ruimtetelescoop, de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist) in Chili en enkele andere telescopen op aarde. Sinds hun ontdekking heeft een team onder leiding van Lewis met behulp van de Hubble telescoop de atmosferen van sommige van deze planeten onderzocht. JWST zal nog veel meer details toevoegen aan het beeld dat haar team zich momenteel vormt van deze exoplaneten en hun atmosferen.
JWST is een infraroodtelescoop met een veel grotere gevoeligheid dan elk van zijn voorgangers. Het zal in staat zijn om de chemische vingerafdrukken te detecteren – als ze er zijn – van componenten van de atmosferen van exoplaneten, waaronder water, methaan, kooldioxide, zuurstof en ozon.
Lewis’ team zal ook op zoek gaan naar bewijs dat er leven is op een of meer van deze planeten, waardoor de chemie in zijn atmosfeer is veranderd. We verwachten dat bepaalde chemische soorten in evenwicht zijn en dat leven dat evenwicht dan verstoort,’ legt ze uit. We zullen een groot aantal planeten kunnen doorzoeken op zoek naar tekenen van verstoring van het evenwicht in hun atmosfeer die erop zouden wijzen dat daar leven is.’
Lewis is duidelijk enthousiast over wat de toekomst kan brengen. Het wordt een tijd van grote veranderingen voor exoplaneten en ook voor de wetenschap van het zonnestelsel. We gaan verder, proberen de manen in onze zonnestelsels te begrijpen en dan misschien hun potentieel om leven te ondersteunen.
Geef een antwoord