De perfecte sterren om te zoeken naar leven op hun planeten

Artist impressie epsilon eridani
Een artist impressie van Epsilon Eridani en twee exoplaneten. Epsilon Eridani is een oranje dwerg die slechts 10,5 lichtjaar van de Aarde is verwijderd. De ster heeft mogelijk exoplaneten maar hun bestaan is nog niet bewezen. Het is een jonge ster van slechts ongeveer 1 miljard jaar oud met alle daarbij behorende groeistuipen. Maar uiteindelijk zal het een rustige ster worden die gedurende tientallen miljarden jaren stabiel is. Credit: By NASA, ESA, G. Bacon – http://www.spacetelescope.org/images/heic0613a/, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4208005

We hebben de neiging om de omstandigheden op Aarde als normaal te beschouwen. Een waterige, gematigde wereld die om een stabiele gele ster draait. Een plek waar al bijna 4 miljard jaar leven voor komt. Het is haast onvermijdelijk dat als we over andere plekken denken waar leven zou kunnen voorkomen de Aarde als maatstaf nemen.

Maar moeten we dat wel doen?

Onze Zon is een ster van spectraalklasse G die ongeveer 10 miljard jaar oud zal worden. De Zon is momenteel ongeveer 5 miljard jaar oud en maakt leven op Aarde al 4 miljard jaar mogelijk. Sterren van spectraalklasse G zijn niet de meest voorkomende sterren in het heelal en het zijn ook niet de langstlevende sterren. Ongeveer 6% van de sterren in ons sterrenstelsel is van spectraalklasse G en ze leven allemaal ongeveer 10 miljard jaar.

Rode dwergen zijn de meest voorkomende sterren in ons sterrenstelsel. Ze zijn goed voor ongeveer 73% van alle sterren. Rode dwergen zijn sterren van spectraalklasse M. Ze zijn veel koeler dan de Zon en hun bewoonbare zone is dan ook veel kleiner. Maar deze sterren worden wel veel ouder. Hun lange leven maakt het mogelijk dat leven zich op geschikte planeten lang kan handhaven. Maar rode dwergen zijn berucht om hun sterke zonnevlammen die dodelijk zijn voor leven zoals wij dat kennen.

Er is nog een ander type ster dat astronomen geschikt achten. E komen meer voor dan de Zon, ze worden ouder dan de Zon en ze zenden veel minder schadelijke straling uit dan rode dwergen. Deze sterren worden oranje dwergen genoemd. Sterren van spectraalklasse K.

Oranje dwergen hebben een levensduur van 15 tot 45 miljard jaar. Ongeveer 13% van de sterren in ons sterrenstelsel bestaat uit oranje dwergen. Deze oranje dwergen zenden slechts 1/16de van de dodelijke straling uit van rode dwergen.

Vergelijking tussen de verschillende type sterren
Van boven naar beneden: de veelvoorkomende rode dwergen, de minder veel voorkomende oranje dwergen en de relatief ongebruikelijke gele dwergen zoals onze Zon. De afbeelding vergelijkt verschillende belangrijke variabelen. De bewoonbare zones zijn bij hetere sterren groter. Rode dwergen kunnen in theorie wel 100 miljard jaar worden. Oranje dwergen worden 15 tot 45 miljard jaar oud terwijl sterren als onze Zon ongeveer 10 miljard jaar oud kunnen worden. Rode dwergen kunnen 80 toto 500 * meer schadelijke straling uitzenden dan sterren als de Zon. Dergelijke straling zijn desastreus voor leven zoals wij dat kennen. Oranje dwergen zenden slechts 5 tot 25 * meer straling uit. De overgrote meerderheid van alle sterren in ons sterrenstelsel zijn rode dwergen. Ongeveer 73% van de sterren in ons sterrenstelsel zijn rode dwergen tegenover slechts 6% zonachtige sterren. Oranje sterren zijn goed voor ongeveer 13%. Als deze vier variabelen in balans zijn dan zijn oranje sterren de meest geschikte sterren om mogelijk geavanceerd leven mogelijk te maken. Credits: NASA, ESA and Z. Levy (STScI)

In een nieuw onderzoek dat tijdens de 235ste bijeenkomst van de American Astronomical Society die begin januari 2020 werd gehouden, werd gepresenteerd gebruikten onderzoekers verschillende telescopen om enkele G- en K-sterren in onze directe omgeving te onderzoeken. De twee astronomen zijn Edward Guinan en Scott Engle van de Villanova universiteit in Pennsylvania. Hun onderzoek wordt het “Goldilocks Project” genoemd.

In een persbericht zegt Guinan dat oranje dwergen de ware Goldilockssterren zijn. Deze sterren hebben eigenschappen tussen de zeldzamere en minder oud wordende G-sterren en de talrijkere en ouder wordende maar voor leven gevaarlijkere rode dwergen. Oranje dwergen en dan in het bijzonder de iets warmere zijn volgens de astronomen het beste van twee werelden. Als we moeten gaan zoeken naar bewoonbare planeten dan bieden oranje dwergen van spectraalklasse K de grootste kans om leven te vinden.

Binnen 100 lichtjaar afstand van de Aarde bevinden zich ongeveer 1000 oranje dwergen. Deze sterren zijn geschikt om waar te nemen. En ofschoon ze minder voorkomen dan rode dwergen denken sommige astronomen dat we in onze zoektocht naar buitenaards leven onze aandacht op deze oranje dwergen moeten richten en niet op rode dwergen.

Rode dwergen zijn nogal lastige sterren als het aankomt op de geschiktheid voor leven. Ze komen weliswaar veel voor en er zijn al genoeg rode dwergen gevonden met planeten Maar hun bewoonbare zone is erg klein waardoor planeten in een nauwe baan om de ster moeten draaien willen ze zich in de bewoonbare zone bevinden. Dat heeft dan vaak tot gevolg dat die planeten in een gebonden rotatie o de ster draaien: altijd met dezelfde zijde naar de ster toe. Dat leidt tot vervelende temperatuurverschillen op die planeten waarbij gassen aan de van de ster afgekeerde zijde bevriezen en de helft van de planeet die in het zonlicht baadt kurkdroog zal zijn.

Artist impressie van een rode dwerg
Rond rode dwergen draaien exoplaneten vanwege hun nauwe banen meestal in een gebonden rotatie. Image Credit:  M. Weiss/CfA

Daar komt bij dat rode dwergen energetisch en niet stabiel zijn. Vaak zijn het flare-sterren die enorme energetische uitbarstingen vertonen die in staat zijn om de atmosfeer van een planeet al kort na zijn ontstaan volledig te laten verdwijnen waardoor leven niet meer mogelijk is. De uitbarstingen kunnen dermate heftig zijn dat de helderheid van de ster in enkele minuten tijd verdubbeld.

Rode dwergen kunnen daarnaast ook enorm sterke magneetvelden hebben die de beschermende magnetosfeer van planeten teniet doen. Een onderzoek uit 2013 onderzocht het effect van deze krachtige magneetvelden op potentieel bewoonbare planeten. Volgens dit onderzoek moet een aardse planeet die een magnetosfeer wil hebben met de grootte van de Aarde zich of ver buiten de bewoonbare zone bevinden of, als de planeet zich binnen de bewoonbare zone bevindt, een magneetveld hebben tot wel 1000 Gauss. De magnetosfeer van de Aarde heeft een sterkte van één Gauss.

De krachtige magnetische velden gecombineerd met sterke zonnevlammen zorgen er voor dat rode dwergen vrijwel zeker giftig zijn voor leven. Zelfs als later in het leven van een rode dwerg de sterkte van het magneetveld en zonnevlammen afnemen dan zouden planeten in de bewoonbare zone al lang hun atmosfeer hebben verloren.

Guinan en Engle en veel andere astronomen zijn dus bepaald niet optimistisch om leven te vinden bij het gros van de rode dwergen.

Oranje dwergen zijn anders

artist impressie van TRAPPIST 1
Artist impressie van het bekende TRAPPIST-1 systeem. Dit is een rode dwerg met 7 exoplaneten. Ofschoon het vermoedelijk allemaal aardse planeten zijn en drie van die planeten zich in de bewoonbare zone bevinden zorgen de enorme zonnevlammen van TRAPPIST-1 er voor dat er naar alle waarschijnlijkheid geen leven mogelijk is op een van de planeten. Credit: NASA/JPL-Caltech

Oranje dwergen hebben niet de chaotische energie uitstoot en de krachtige zonnevlammen die rode dwergen hebben. Ze kennen ook niet de sterk magnetische velden die verantwoordelijk zijn voor het onbewoonbare karakter bij veel rode dwergen. Volgens het onderzoek van Guinan produceren oranje dwergen slechts 1/100ste van de dodelijke röntgenstraling die sommige rode dwergen produceren.

Tijdens het Goldilocks Project werden leeftijd, rotatiesnelheid en de infrarode en röntgenstraling van een aantal koele G-sterren en K-sterren gemeten. Dat werd gedaan met behulp van de Chandra röntgentelescoop en de XMM-Newton ruimtetelescoop maar ook de Hubble ruimtetelescoop speelde een belangrijke rol in het project. De Hubble is extreem gevoelig voor ultraviolette straling die afkomstig is van waterstof. De onderzoekers gebruikten die gevoeligheid om de hoeveelheid straling te bepalen die van 20 oranje dwergen afkomstig is. Volgens Guinan is de Hubble telescoop de enige telescoop die dit soort waarnemingen uit kan voeren.

Guinan en Engle bepaalden dat de stralingsniveaus rond oranje dwergen veel minder schadelijk waren dan rond rode dwergen. Oranje dwergen leven veel langer en daardoor verandert hun bewoonbare zone ook veel minder snel. Dat zorgt er voor dat oranje dwergen de ideale plek zijn om naar leven te zoeken. Deze sterren bieden meer dan voldoende tijd zodat leven kan evolueren op daarvoor geschikte planeten. Tijdens de levensduur van onze Zon, ongeveer 10 miljard jaar, neemt de helderheid van een oranje dwerg slechts met ongeveer 10 – 15% toe waardoor een biologische evolutie zich over een veel grotere tijdsspanne dan op Aarde kan ontwikkelen.

Er zijn al oranje dwergen gevonden die planeten hebben en anderen die mogelijk planeten hebben. Guinan en Engle keken naar drie interessante sterren: Epsilon Eridani, Kepler-442 en Tau Ceti.

Kepler-422 is interessant omdat het een oranje dwerg van spectraalklasse K5 is en die sterren worden beschouwd als meest kansrijk voor bewoonbare planeten. De ster heeft een planeet, Kepler-422, die een massa van iets meer dan 2 * de massa van de Aarde heeft en die zich in de bewoonbare zone van de ster bevindt.

Guinan en Engle bestuderen al 30 jaar verschillende soorten sterren. De hebben de relaties tussen het type ster, de leeftijd, rotatiesnelheid en röntgen- en Uv-straling bepaald. Die gegevens vormen de basis voor hun werk over hoe hoogenergetische straling van een ster de atmosfeer van een planeet en de vooruitzichten voor leven beïnvloedt.

Bron:

 

Eerste publicatie: 27 januari 2020
Bron: UniverseToday