De aarde als voorbeeld in de zoektocht naar leven op verre planeten
Hoe herken je leven op een planeet die lichtjaren ver weg is? Tijdens haar promotieonderzoek werkte sterrenkundige Willeke Mulder aan een instrument om zulke signalen op te sporen – met als hoogtepunt een experiment vanaf een luchtballon.
Mulder stond in het optisch lab, analyseerde data en modellen, en deed als kers op de taart metingen vanaf een luchtballon. Allemaal in de hoop om ooit leven op andere planeten te kunnen detecteren. ‘De vraag die ik probeer te beantwoorden is: “Hoe zou de aarde eruitzien op de afstand van een exoplaneet?”’, zegt Mulder. ‘Je hebt daarvoor heel goede instrumenten nodig.’
Daarom onderzocht ze welke signalen van leven meetbaar zijn. Je kunt dan denken aan zuurstof in de atmosfeer, of oceanen en groene vegetatie op het oppervlak. Maar Mulder kijkt naar licht.
Leven herkennen met licht
In haar onderzoek staat polarisatie centraal: een eigenschap van licht die verandert door interactie met materie. ‘Circulaire polarisatie komt vrijwel niet voor in het heelal’, legt de sterrenkundige uit. ‘Het ontstaat door een eigenschap die alle bouwstenen van leven zoals wij dat kennen hebben: homochiraliteit. Dat houdt in dat moleculen zoals suikers of DNA alleen in een rechtsdraaiende of linksdraaiende oriëntatie voorkomen. Als licht interactie heeft met zulke moleculen, vertoont het daarna circulaire polarisatie. Dus als we dat terugzien op een andere planeet, zijn we binnen.’
Een experiment op grote hoogte
De promovenda vat haar project in drie overzichtelijke stappen samen: maak een instrument en bekijk de circulaire polarisatie van de aarde op een afstandje. Maak daar een model van. Zet dat model op de afstand van een exoplaneet. ‘Dan weet je hoe een signaal van leven op een andere planeet eruit zou kunnen zien. Maar dat is natuurlijk makkelijker gezegd dan gedaan’, geeft ze toe.
Met haar begeleiders vergeleek ze verschillende opties om de aarde te observeren. Een skilift werd geopperd, en verworpen. Te instabiel, aldus Mulder. Of je hangt het instrument onder een helikopter, maar dan kun je er niet bij tijdens de meting.
Uiteindelijk besloten de onderzoekers dat een luchtballon de beste optie was. ‘Dat was nog een heel avontuur om te regelen’, lacht ze. ‘Het lastige is dat luchtballonnen alleen vroeg in de ochtend of laat op de avond opstijgen, terwijl wij juist veel licht nodig hebben. Al met al was de uiteindelijke vlucht zonder twijfel letterlijk en figuurlijk het hoogtepunt van mijn PhD!’
Van meting naar model
Het experiment was een succes, vertelt Mulder. ‘We keken naar bomen en planten. Daarbij zagen we signalen in de lente, maar niet in de herfst. Dat is precies wat je verwacht, want in de herfst kleuren de groene bladeren oranje en rood. Daarmee verliezen ze het chlorofyl dat circulaire polarisatie veroorzaakt.’
De resultaten laten zien dat het model werkt. Dat is een belangrijk stap in het vakgebied, want een model van circulaire polarisatie op aardachtige planeten ontbrak nog. ‘Het is alleen helaas nog niet af’, zegt de PhD-kandidaat. ‘Om de hele aarde te modelleren, moet je alle zonnehoeken en kijkhoeken meenemen. Op zich is dat een simpel experiment, maar we hadden helaas de pech dat er geen zonnige dag meer kwam.’
De volgende stap: het ISS
‘Als wetenschapper zijn er altijd meer dingen die je wilt doen, maar ik denk dat we heel veel bereikt hebben’, concludeert Mulder. ‘Uiteindelijk is het doel om dit instrument op het internationale ruimtestation ISS te zetten om de aarde te observeren. Die onderhandelingen zijn zelfs al gestart, dus wie weet wordt dat binnenkort werkelijkheid. Dat zou fantastisch zijn.’
Frans Snik en Ignas Snellen waren de promotors van dit onderzoek, Daphne Stam was nauw betrokken bij de supervisie. Mulder verdedigt haar proefschrift getiteld 'Tracing life through light: Towards detecting life on exoplanets with spectroscopy and spectropolarimetry' op 2 april.