Planeet bij Proxima Centauri ontdekt

[Michel Uphoff]

Het 'zusje' van de Aarde horen we iedere keer als er een vermoeden is van een rotsachtige planeet in een wellicht habitable zone. Dat triggert de media natuurlijk en die gaan er niet gehinderd door kennis noch objectiviteit vaak heerlijk op los, vooral bij deze zusterplaneet zo dicht bij huis.

 

Govert Schilling wordt hier in Nederland voor de talkshows uitgenodigd, hij schetst een objectief beeld van de 'fantastische ontdekking', en relativeert zeer terecht en bekwaam het opgeklopte enthousiasme. Maar dat is niet wat nogal wat media willen horen. Die willen horen over groene mannetjes vlak om de hoek, die willen sensatie en soundbites.

 

Hieronder wat vraagtekens en niet zo sensationele feiten:

• Het is een van de 10 tot 20 bekende exoplaneten in de 'habitable zone' van de moederster met een massa die mogelijk in de buurt komt van die van de Aarde. Dat is op zich dus geen verbijsterende ontdekking.
• Naar schatting 50% van de sterren heeft een planetenstelsel, dus dat er ook een planeet (of meer) rond Proxima Centauri draait is dan niet echt een verrassing.
• Naar we mogen aannemen zijn er heel veel 'zusjes', maar die kunnen we bij zwaardere sterren met de huidige instrumenten nog niet detecteren (zie grafiekje hieronder).
• De ster is een rode dwerg, en die staan er om bekend dat ze zeer krachtige uitbarstingen kennen (flare stars). Tijdens zo'n flare wordt er ondermeer copieuze hoeveelheden harde röntgenstraling en UV straling de ruimte in gezonden. De planeet staat 20 keer zo dicht bij de moederster als de Aarde bij de Zon. De flares van deze ministerren zijn i.h.a. krachtiger dan die van de Zon, en zo ontvangt de exoplaneet dan met grote regelmaat een dosis straling die minimaal 400 keer sterker is dan hier op Aarde.
• Of de planeet een atmosfeer heeft is bij de huidige schatting van de massa (1,3 Aarde) twijfelachtig. De sterrewind is zo dicht bij de flare star zeer krachtig en het is heel goed mogelijk dat eventueel aanwezig water al lang is ontleed in waterstof en zuurstof waarbij het waterstof door de straling de ruimte is ingeblazen.
• De equlibriumtemperatuur van de planeet ligt met -39 graden Celsius ongeveer 20 graden lager dan die van de Aarde, alleen een atmosfeer met de juiste samenstelling en dichtheid zou een stijf bevroren planeet kunnen voorkomen.
• De vermelde massa is echter een ondergrens, dat is een nadelige eigenschap van de radial velocity methode waarmee het slingeren van de ster wordt bepaald. De planeet kan ook zomaar 4 keer zwaarder zijn dan de Aarde, of in wat minder voorkomende situaties nog veel zwaarder en kan wellicht een 'warme neptunus' zijn, die in de verste verte geen aardachtige oppervlakte-eigenschappen heeft.
• De planeet is door haar kleine afstand tot de ster waarschijnlijk in tidal lock, waardoor een zijde continue naar de ster en haar sterke straling wijst en de andere zijde eeuwig donker en te koud is. In dat geval is eventueel vloeibaar water alleen in de schermerzone bij de terminator te verwachten.
• De planeet mag dan astronomisch gezien op de deurmat liggen, 4,2 lichtjaar is een met de huidige techniek volkomen onrealistische afstand. De snelste ruimtesonde tot op heden, New Horizons, zou met haar 14 km/s slechts 84.500 jaar over de reis doen. Het bereiken van een doenlijke reissnelheid zoals door media wordt gesuggereerd is vooralsnog niet meer dan speculatie, ondanks de plannen van Zuckerberg en vrienden (zie ondermeer dit topic).
• De kans dat het 'zusje van de Aarde' straks totaal geen zusje blijkt te zijn is dus behoorlijk groot.

Kortom, we hebben het over een ten minste nog vele decennia volslagen onbereikbare planeet die wellicht wat op de Aarde zou kunnen lijken, die misschien een atmosfeer heeft, en heel misschien lokaal wat vloeibaar water heeft, en over de kansen van leven op die planeet valt met de huidige gegevens en kennis echt helemaal niets zinnigs te zeggen.

 

Hoe lastig het is om zelfs bij heel lichte sterren de slingering van de ster door een er omheen draaiende planeet te meten blijkt wel uit deze grafiek van de ontdekking van Proxima Centauri b:

The_motion_of_Proxima_Centauri_in_2016,_revealing_the_fingerprints_of_a_planet 1870 keer bekeken

 

Natuurlijk is het wel heel interessant om deze planeet nader te gaan onderzoeken. Als over een paar jaar de Webb Space Telescope en met name de E-Elt operationeel zijn (zie dit topic), krijgen we wellicht mogelijkheden de planeet zelf in beeld te krijgen en een eventuele planeetatmosfeer te gaan bestuderen.

[Emveedee]

De equlibriumtemperatuur van de planeet ligt met -39 graden Celsius ongeveer 20 graden lager dan die van de Aarde, alleen een atmosfeer met de juiste samenstelling en dichtheid zou een stijf bevroren planeet kunnen voorkomen.

Kunnen ze dat meten? En op de graad nauwkeurig?

 

Natuurlijk is het wel heel interessant om deze planeet nader te gaan onderzoeken. Als over een paar jaar de Webb Space Telescope en met name de E-Elt operationeel zijn (zie dit topic), krijgen we ondermeer mogelijkheden de planeet zelf in beeld te krijgen en een eventuele planeetatmosfeer te gaan bestuderen.

Wat bedoel je precies met in beeld krijgen? Kunnen we daadwerkelijk een stipje voor de ster langs zien bewegen ofzo? Ik heb er nooit aan gerekend ofzo maar mijn gut feeling zegt me dat dat ook voor de dichtsbijzijnde ster niet te doen is. Maar metingen aan het absorptiespectrum zijn ook al erg gaaf uiteraard

[Michel Uphoff]

Kunnen ze dat meten?

 

Dat wordt in dit geval niet gemeten, maar berekend. Als je atmosferische invloeden (broeikaseffect) buiten beschouwing laat valt dit met de temperatuur van de ster, de afstand, Stefan-Bolzman en aannames inzake zwarte stralers en albedo te berekenen (klik).

 

Kunnen we daadwerkelijk een stipje..

 

We kunnen wel degelijk exoplaneten zien, het is erg moeilijk, maar al gebeurd en op behoorlijk grotere afstanden dan Proxima Centauri. Zie bijvoorbeeld dit artikel en deze Wikipediatabel.

 

Hier een voorbeeld, β Pictoris b, een hete Jupiter op 63 lichtjaar afstand:

Beta_Pictoris_system_annotated 1869 keer bekeken

 

Van de ster Proxima kan met de huidige instrumenten de diameter direct worden opgemeten. Een techniek die interferometrie (klik) heet wordt daarvoor gebruikt. Zo hebben de VLT telescopen van de Eso Paranal sterrenwacht in Chili in 2002 middels interferometrie de booghoek van Proxima Centauri op 1,02 ± 0,08 milliboogseconden bepaald, zo'n 1,5 keer de diameter van Jupiter.

 

De E-elt zou op deze manier in principe i.s.m. een andere telescoop in staat moeten zijn de diameter van de planeet direct te bepalen vermits het licht van de ster voldoende kan worden afgeschermd. Dat hangt ondermeer af van de coronograaf die benut wordt en welke dit bij de E-elt wordt is denk ik nog niet vastgesteld.

Er is voor zover mij bekend nog geen interferometrie voorstel voor de E-elt. Ik zou mij kunnen voorstellen dat dit in de toekomst met de VLT in de buurt zou kunnen zodat er een zeer grote baseline onstaat, hoewel de technische uitdagingen dan wel enorm zijn.

 

Oppervlaktedetails van exoplaneten is een hoofdstuk verderop, hoewel ze zeer grof uit mogelijke helderheids- en spectrumvariaties kunnen worden afgeleid. Maar een direct beeld en nauwkeurige spectrumvariaties van exoplaneten moet met de toekomstige reuzetelescopen te verkrijgen zijn.

[Michel Uphoff]

We kunnen wel degelijk exoplaneten zien, het is erg moeilijk, maar al gebeurd en op behoorlijk grotere afstanden dan Proxima Centauri.

 
Dat klopt wel, maar behoeft een aanvulling/verduidelijking zie ik nu:
 
Het is niet zo dat we die exoplaneten gezien hebben door het licht te meten dat van de ster op de planeet straalt en vervolgens naar ons reist. Gezien de afstand van deze direct waargenomen exoplaneten tot hun moederster ontvangen zij daarvan maar een heel bescheiden hoeveelheid licht, en weerkaatsen weer slechts een klein deel daarvan richting ons. De schaarse fotonen van dat licht die bij de Aarde terecht komen zijn onvoldoende voor een beeld.
 
Alle direct waargenomen exoplaneten zijn grote planeten in zeer jonge stelsels in wording. Ze hebben nog een hoge oppervlaktetemperatuur, die in het infrarood gezien kan worden. We meten dus de IR straling van die planeten zelf.

[Jan van de Velde]

vanavond op de BBC Sky at Night. 23:00 Nederlandse tijd
 
Interstellar: The Journey to Proxima b
 
http://www.bbc.co.uk/programmes/b07vxfqp

[Michel Uphoff]

En ervoor om 22 uur "The comet's tale", natuurlijk ook over Rosetta en Philae (klik). Erna volgt "How big is the Universe?".
 
Als het inhoudelijk allemaal een beetje degelijk is, een mooi avondje tv.

[Michel Uphoff]

The journey to Proxima b, was best aardig, maar besprak een aantal van de aspecten van de planeet die ik eerder hierboven aanhaalde nauwelijks of in terloopse opmerkingen. Met name het deel over het Starshot project (klik) liet de meeste toch wel enorme praktische barrières vrijwel onbesproken. Toch al met al wel een aardige documentaire.
 
Comet's tale bleek een 9 jaar oude docu met veel geflits en geknal á la Discovery te zijn, op punten sterk achterhaald en weinig diepgang. Jammer.
How big is the universe was (hoewel een herhaling) toch wel het meest interessant en informatief, vooral het gedeelte over de Sloan Digital Sky Survey (klik) was het bekijken zeker waard.

[Michel Uphoff]

en over de kansen van leven op die planeet valt met de huidige gegevens en kennis echt helemaal niets zinnigs te zeggen

 
Dat schreef ik in het openingsbericht, maar inmiddels is daar wat verandering in gekomen.
 
Ward S. Howard et al publiceerden (zie bijlage) een onderzoek aan de moederster, een rode dwerg. Met behulp van de Evryscope (klik) en de HARPS spectrograaf van de ESO sterrenwacht in Chili is het stralingsgedrag van deze kleine ster gedurende twee jaar gemeten.
Het blijkt dat de ster herhaaldelijk zeer sterke uitbarstingen van ondermeer UV licht ondergaat, en een ervan was zelfs zo uitzonderlijk sterk dat de ster gedurende een paar minuten 70 keer zoveel licht gaf als normaal en met het blote oog zichtbaar zou moeten zijn geweest.
 

flare_sequence-1024x202 1864 keer bekeken

De helderheidsvariatie van Proxima b. Bron: zie bijlage
 
De onderzoekers komen tot de conclusie dat dit soort uitbarstingen ongeveer 5 keer per jaar voorkomen. Ze berekenen dat de bij de uitbarstingen vrijkomende protonen tijdens deze flares in staat zijn om een eventuele ozonlaag van Proxima B  in 5 jaar met 90% te reduceren en in enkele honderdduizenden jaren geheel zou laten verdwijnen. Het gevolg hiervan is dat de copieuze UV-C straling van de rode dwerg het oppervlak van de planeet bereikt met een intensiteit van 3,6 J/cm² en dat is 65 keer zo hoog als nodig om hier op Aarde de meest UV bestendige micro-organismen zoals Deinococcus radiodurans (klik) te doden.
 
Zelfs als Proxima b al een aardachtige atmosfeer zou hebben -wat niet waarschijnlijk is- dan is leven zoals wij dat kennen op 'het zusje van de Aarde' nog onwaarschijnlijker geworden. In het algemeen wordt het met dit onderzoek weer lastiger je leven op een planeet rond een rode dwerg voor te stellen, tenzij in het lange leven (tot 10.000 miljard jaar) van een rode dwerg er lange periodes van stralingsrust optreden, en/of er zich op het oppervlak van dergelijke planeten een uitermate stralingsbestendige levensvorm zou ontwikkelen.
 
Voorpublicatie van het wetenschappelijk paper:

The first naked-eye superflare from Proxima Centauri

(1.8 MiB) 195 keer gedownload

[Benm]

Het zijn dan weer van die aannames... waarom zou leven in zn algemeen geen 65 of 10.000 keer de gangbare uv straling op aarde kunnen overleven?
 
Dan bedoel ik uiteraard leven in het algemeen, niet leven dat van de aarde afkomstig is. Als je aanneemt dat leven zich ontwikkelt en evolueert op whatever planeet het zich bevindt lijkt me het niet vreemd dat het bestendig is tegen de condities aldaar. Uiteraard is er wel het fenomeen dat dergelijk kortgolvig licht vrij gemakkelijk molecuulbindingen breekt, maar op aarde hebben we ook genoeg UVA en UVB om datzelfde voor elkaar te krijgen. 
 
Iets soortgelijks geldt voor het idee dat (intelligent) leven zich op land zou moeten bevinden. Gemiddeld is dat op aarde wel het geval, maar op een andere planeet (of maan) zou het maar zo kunnen dat het zich bijvoorbeeld onderwater ontwikkelt en daar ook gewoon blijft - je zou maar net een aarde hebben die toevallig helemaal onder water staat. 
 
Inmiddels is vrijwel overal op aarde wel leven te vinden, en als dat op 'moeilijke' plekken is noemen we dat extremofielen of iets dergelijks. Maar wat voor ons moeilijk is kan voor iets anders juist een heel prettige omgeving zijn en vice versa. Je zou maar evolueren op een planeet waar het standaard 90 graden is, vanaf dat perspectief lijkt de aarde behoorlijk onbewoonbaar met slechts een paar stukjes die boven de 50 graden komen en dan in de regel weer nauwelijks vloeiend water kennen: Als je natuurlijke omgeving pruttelende bouillon is dan zijn die ijskoude aardse oceanen ook geen plek waar je leven zou verwachten.  

[Michel Uphoff]

Met leven zoals wij dat niet kennen kan je alle kanten op.
 
Het is niet gezegd dat de kans op leven op dergelijke planeten afwezig is, maar wel dat door deze waarneming de kans daar op leven -zoals wij dat kennen- nog kleiner geworden is.
 

waarom zou leven in zn algemeen geen 65 of 10.000 keer de gangbare uv straling op aarde kunnen overleven

 
Dat zou ik andersom willen formuleren: Kunnen wij, met inachtneming van onze huidige kennis, een levensvorm bedenken die een dergelijke uv-c dosis aankan?
 
Bij Deinococcus radiodurans (klik) lijkt de stralingsbestendigheid te rusten op het hebben van meerdere kopieën van het genoom tezamen met het vermogen beschadigingen daaraan snel te herstellen, en mogelijk is de ringvorm van het DNA daar debet aan. Een lastige vraag bij deze bacterie is waarom het zo'n hoge weerstand tegen straling heeft. Daar lijkt immers geen evolutionaire reden toe, en mogelijk is het meer een neveneffect van de bescherming tegen uitdroging die wel evolutionair tot stand gekomen is.
 
Dat lijkt dan mogelijkheden te bieden maar ik heb van astrobiologie weinig kaas gegeten, dus ik speculeer hier: Als het als neveneffect al zo'n robuuste bescherming oplevert, dan zou evolutiegestuurde stralingsbestendigheid mogelijk nog veel effectiever zijn.
 
Als we echter aannemen dat het stralingsbad van de rode dwerg continue is, dan wordt het m.i. lastig te bedenken hoe de atmosfeer in stand zou moeten blijven en het leven van meet af aan al zo goed tegen de straling bestand was. In dit scenario zou een planeet aan de 'rustige' buitenzijde van de habitable zone volgens een onderzoek van de Maven (klik) wetenschappers ongeveer 1000 keer zo snel als Mars zijn atmosfeer, en dus zijn water, verliezen. Dat klinkt niet bepaald hoopvol.
 
Anderzijds, als je aanneemt dat rode dwergen zeer lange periodes van relatieve rust kennen liggen de kansen mogelijk beter. Er zijn aanwijzingen dat de actieve fase van een aantal rode dwergen 'slechts' enkele miljarden jaren duurt.
Het is voorstelbaar dat een planeet die zich aanvankelijk in de stralingsluwte buiten de habitable zone bevond na deze turbulente periode (zoals veel planeten) inwaarts migreert, en dan kans heeft op een zeer lang aanhoudende atmosfeer van voldoende betekenis en wellicht stromend water. In dat geval zouden er betere mogelijkheden zijn voor de ontwikkeling van leven zoals wij dat kennen, zij het dat ook in de vele miljarden jaren van rust het verlies van atmosfeer aan de buitenzijde van de h.z. nog steeds ongeveer 20 keer sneller gaat dan bij Mars het geval was. Een planeet met een flinke massa (>Aarde) zou dan noodzakelijk kunnen zijn.
 
Helaas lijkt dit scenario voor Centauri b niet op te gaan. De planeet bevindt zich nu al zeer dicht bij de moederster, die na 4,8 miljard jaar bestaansduur nog niet tot rust gekomen is. Ook de toekomst op langere termijn ziet er niet goed uit voor de planeet. De ster roteert in ongeveer 83 dagen om haar as, terwijl de planeet Centauri b op 7,5 miljoen km van de ster een omloop in iets meer dan 11 dagen voltooit. Getijdenkrachten dwingen de planeet hierdoor in een steeds nauwere baan rond de ster, zodat de levensverwachting voor de planeet niet extreem lang zal zijn.
 
Ik hoop dat nader onderzoek door ondermeer de in het openingsbericht genoemde Webb en E-elt telescopen in het komende decennium ons meer duidelijkheid gaat geven, want rode dwergen hebben ook voordelen. Ze bestaan niet alleen extreem lang wat goed is voor een eventueel evolutiemechanisme, er zijn er ook heel veel van (>80% van de sterren in de Melkweg zijn rode dwergen). Helaas is de lancering van de Webb alweer uitgesteld, nu tot mei 2020.

[Benm]

Die UV bestendigheid zal inderdaad een bijwerking zijn van een ander evolutionair proces. In hoeverre dat 'expres' kan evolueren is naar mijn weten niet bekend. Je zou het kunnen uitproberen door er domweg selectiedruk op de zetten (bacterien kweken onder steeds toenemend UVC licht) en kijken tot hoe ver je komt in een gegeven aantal generaties. De vraag is echter waarom je dit zou doen en wie het gaat betalen. 
 
Maar het kan hard gaan, dat zie je bijvoorbeeld bij antibioticaresistentie. Ik weet zo snel de bron niet meer, maar de opzet was vrij simpel: een aantal gels tegen elkaar, met steeds een 10x hogere concentratie van een antibioticum daardoor gemengd. Ik geloof dat het pakweg een week duurde voor er een stam was die overleefde in een concentratie 1000x hoger dan wat voor het overgrote merendeel van de bacterien dodelijk was bij aanvang van het experiment. 
 
Op een planeet met veel UVC zou het maar zo kunnen dat het leven (net als hier) in het water ontstaat, wat afscherming tegen dat uv licht biedt. Vervolgens kan het resistentie opbouwen en steeds dichter bij het oppervlak leven, en indien aanwezig mogelijk zelfs de weg naar het land vinden. Het zou best kunnen dat genetische opslag dan heel anders werkt dan via DNA, met verbindingen die gewoon niet beschadigen onder het licht in kwestie. 

[Michel Uphoff]

Getijdenkrachten dwingen de planeet hierdoor in een steeds nauwere baan rond de ster, zodat de levensverwachting voor de planeet niet extreem lang zal zijn.

 

Daar heb ik nog wat over nagedacht, en kwam tot het volgende:

Op deze Wikipedia pagina worden een aantal formules opgesteld mbt tot het getijdeneffect en de afstand ster-planeet.

 

Onder andere wordt deze formule gebruikt:

\(\frac{dD}{dt}=\frac{9}{2}k\frac{\sqrt{G}{M_{ster}^{3/2}A^5}}{MD^{11/2}}sin(2\alpha )\)

 

Met die formule kan inderdaad berekend worden dat de Aarde zich in een miljoen jaar ongeveer 3 meter van de Zon verwijdert, een verwaarloosbare afstand. Ook bij het Aarde-Maan systeem komt de berekende uitkomst, een verwijdering met 44 mm per jaar, aardig overeen met de gemeten waarde van 37,1 mm/jaar.

 

Maar de formule laat ook zien dat het getijdeneffect omgekeerd evenredig is aan de afstand tussen ster en planeet tot de macht ^11/2. M.a.w. hoe dichter bij de moederster de planeet komt, hoe sneller hij inwaarts migreert. Gezien de zeer geringe afstand tussen de planeet en haar moederster en die macht lijkt het dan ook logisch dat de getijdenkrachten heel veel sterker moeten zijn dan bij het Zon-Aarde systeem.

 

Uitgaande van de gegevens van Proxima Centauri: Massa (0,123 M_zon), de onderlinge afstand (7,5 miljoen km), de planeetmassa (1,3 M_aarde), de planeetdichtheid (aanname, gelijk aan die van de Aarde), Q^-1= sin(2α), (resulterend in 0,077 voor de Aarde, en bij rotsachtige planeten variërend tussen 0,1 en 0,01) . Samen met hetzelfde gravitationele love number k van 0,2 (een maat voor de vervormbaarheid) kom ik dan tot de volgende resultaten:

 

Bij Q^-1 = 0,1 (de planeet heeft een grote vloeibare kern) is de nadering liefst 2300 km per miljoen jaar.

Bij Q^-1 = 0,01 (de planeet heef een volledig vaste kern) wordt dit 300 km per miljoen jaar.

Zijn er geen oceanen op de planeet en is er ook geen vloeibare kern, dan wordt het effect een stuk minder. De getijdeneffecten liggen dan in de orde van 5% resp. 115 km en 15 km nadering per miljoen jaar.

 

Als we aannemen dat de planeet én water én een grote vloeibare kern heeft, beiden sterk aan te bevelen voor de ontwikkeling van leven zoals wij dat kennen, dan werkt dat ook in haar nadeel:

 

Op ongeveer 4 miljoen kilometer van de ster wordt de planeet drooggekookt, dan is ze aan de binnenrand van de habitable zone beland. Die afstand wordt volgens een grove calculatie m.b.v. genoemde formule bereikt over ongeveer 500 miljoen jaar, en over ruwweg 600 miljoen jaar is de planeet in de ster verdwenen.

We kunnen ook terug redeneren; wanneer kwam Proxima b dan al inwaarts migrerend, ongeveer binnen de habitable zone van de ster? Die buitengrens ligt op 8,1 miljoen kilometer. Met een voor die afstanden gemiddelde inwaartse migratiesnelheid van ongeveer 2150 km per miljoen jaar moet dat dan ruwweg 300 miljoen jaar geleden zijn.

 

Als genoemde formule en de aannames van oceaangetijden en een grote vloeibare kern kloppen, dan kon de evolutie van leven zoals wij dat kennen op de planeet niet eerder aanvangen dan 300 miljoen jaar geleden en bevindt Proxima b zich gedurende maximaal 800 miljoen jaar in een gebied waarin dat leven verder zou kunnen evolueren.

 

En dat is, voor zover wij weten van de evolutie hier op Aarde, een erg korte tijdsduur. 
 
Hiernaast is er een mogelijk ernstig energieprobleem.  Gedurende deze periode van 800 miljoen jaar neemt de van de ster ontvangen energie met een factor 4 toe. De temperatuur op de planeet loopt bij gelijkblijvende atmosferische omstandigheden op de planeet aanvankelijk langzaam op vanaf nul graden aan de buitenrand van de h.z., maar voorbij de 300 miljoen jaar in de h.z. loopt ze steeds sneller op naar 100 graden. Naast deze geleidelijker temperatuurverhoging kunnen de zware flare's gedurende een uur maar liefst 70 keer zoveel energie op de planeet afvuren. Wat de implicaties hiervan zijn vind ik lastiger te bevroeden; om de maand een piek van 70 uur Zonlicht samengepakt in een uur hier op Aarde lijkt mij heel onprettig.