Speuren naar planeten (en ET!)

Op 11 april 1960 richtte de Amerikaanse sterrenkundige Frank Drake een kleine radiotelescoop (hiernaast) op twee nabije sterren – Epsilon Eridani en Tau Ceti. Hij was bij die gelegenheid nu eens niet geïnteresseerd in de radiostraling van de sterren zelf. Drake’s doel was het opvangen van communicatiesignalen van een buitenaardse beschaving. Het experiment van Frank Drake heette Project Ozma (naar de prinses uit de Wizard of Oz-boeken). Project Ozma was het startschot voor een zoektocht die tot op de dag van vandaag voortduurt: de zoektocht naar intelligent buitenaards leven – in het Engels afgekort tot SETI.
De waarnemingen van Project Ozma begonnen om 6 uur ’s ochtends en leverden vrijwel meteen een ‘verdacht’ signaal op. De alarmbellen waren echter voor niks gaan rinkelen, al bleek dat pas enkele weken later: het signaal was afkomstig van een geheim militair project – niet zo vreemd ten tijde van de Koude Oorlog. Na tweehonderd uur waarnemen, uitgesmeerd over een periode van twee maanden, kwam het project zonder resultaat ten einde. En hetzelfde lot was ook de meer dan zestig SETI-projecten die sindsdien zijn afgewikkeld beschoren. Toch is er de afgelopen jaren flinke vooruitgang geboekt: weliswaar zijn er nog geen telefoongesprekken met kleine groene mannetjes afgeluisterd, maar duidelijk is inmiddels wel dat er in ons Melkwegstelsel voldoende woonplaatsen voor buitenaardsen zijn.

Slingerende sterren

Rond dezelfde tijd dat Drake zijn radio-oor te luisteren legde, waren her en der ook sterrenkundigen bezig om de hemel af te speuren naar sterren die een eigen planetenstelsel hadden. Daarbij stond van meet af aan vast dat eventuele planeten bij andere sterren niet zichtbaar zouden zijn. Het licht van een ster is nu eenmaal veel feller dan de zwakke gloed van weerkaatst sterlicht, die door een planeet wordt uitgestraald. Bovendien zijn zelfs de meest nabije sterren zo ver van ons verwijderd, dat de huidige telescopen ster en planeet niet los van elkaar kunnen laten zien.
De tactiek die in de jaren zestig werd toegepast – onder meer door onze landgenoot Peter van de Kamp (1901-1995) – bestond dan ook niet uit het speuren naar de eventuele planeten zélf, maar naar indirecte aanwijzingen voor hun bestaan. Hoewel sterren onveranderlijke posities aan de hemel lijken in te nemen, vertonen ze bij nader inzien toch een kleine beweging. Jaar na jaar verschuiven de sterren een beetje ten opzichte van elkaar – een verschijnsel dat eigenbeweging wordt genoemd. In het geval dat er een (grote) planeet om een ster draait, mag je verwachten dat dit van invloed is op de eigenbeweging van de ster. Kort gezegd: met zijn zwaartekrachtsaantrekking trekt zo’n planeet de ster een beetje heen en weer. Vergelijk het maar met een kogelslingeraar, die al ronddraaiend de grootst mogelijke moeite heeft om op zijn plek te blijven staan.
Van de Kamp en enkele van zijn collega’s zochten dus naar sterren die tijdens hun eigenbeweging een kleine slingering vertoonden – een proces waar je geduld voor moet hebben, want zelfs de meest nabije sterren leggen pas na vele jaren voldoende afstand af om een eventuele slingerbeweging te kunnen waarnemen. Maar uiteindelijk lukte het Van de Kamp om bij een van die nabije sterren – de zogeheten Ster van Barnard – zo’n ‘dronkemansgang’ waar te nemen. Het zag er naar uit dat deze ster minstens twee planeten had.
Helaas voor Van de Kamp bleek later dat zijn waarnemingen waarschijnlijk op kleine afwijkingen in zijn meetapparatuur berustten. Zelfs de veel betere instrumenten van tegenwoordig hebben bij de Ster van Barnard geen aanwijzingen voor planeten gevonden.... maar bij andere planeten hebben zij dat wél!

Exoplaneten

Bij de huidige speurtocht naar planeten bij andere sterren, die inmiddels worden aangeduid met de term exoplaneten (van extrasolar planets), wordt een methode gebruikt die enigszins vergelijkbaar is met die van Van de Kamp. Zoals eerder opgemerkt, trekt een planeet zijn moederster heen en weer. En dat veroorzaakt niet alleen een fysieke verplaatsing van de ster, maar ook kleine variaties in het spectrum dat we van de ster waarnemen. Op het moment dat de exoplaneet zich aan de ‘achterkant’ van de ster bevindt, beweegt de ster een beetje van ons af – iets dat waarneembaar is als een kleine roodverschuiving (zie kader). Bevindt de exoplaneet zich aan ‘onze’ kant van de ster, dan komt de ster naar ons toe – wat in een blauwverschuiving resulteert.
Kort gezegd komt het erop neer dat een exoplaneet kleine, regelmatige variaties in het licht van zijn moederster veroorzaakt. En deze variaties zijn met de huidige meetapparatuur heel goed waarneembaar. Het eerste ‘tastbare’ resultaat werd in 1995 geleverd, toen twee Zwitserse sterrenkundigen de gezochte variaties waarnamen bij een ster in het sterrenbeeld Pegasus (51 Pegasi). Het zou niet bij die ene ster blijven: inmiddels zijn er al een kleine honderd van deze exoplaneten ontdekt, waaronder ook bij Epsilon Eridani, de ster die in 1960 doelwit was van het Ozma-project.
Hoewel de ontdekking van planeten bij andere sterren al heel bijzonder is, schuilt er vooralsnog een addertje onder het gras. Om een waarneembaar effect op het spectrum van een ster te hebben, moet een planeet een flinke massa in de schaal leggen. De exoplaneten die tot op heden ontdekt zijn, zijn daarom alle vele malen groter dan onze aarde. Het zijn waarschijnlijk Jupiter-achtige gasreuzen: planeten die geen vast oppervlak hebben. Over leven hoef je bij zulke objecten dus nauwelijks te speculeren. Daarbij komt nog dat de meeste van deze exoplaneten erg dicht bij hun moederster staan: de onderlinge afstanden zijn vaak kleiner dan die tussen de planeet Mercurius en onze zon. Dat betekent dat de temperaturen van de tot op heden waargenomen exoplaneten zeer hoog moeten zijn.
Uit het feit dat er tot op heden geen kleine exoplaneten ontdekt zijn, wil overigens niet zeggen dat deze niet bestaan. Het is gewoonweg de beperking van onze meetapparatuur die hun ontdekking in de weg staat. Er is geen enkele reden om aan te nemen dat er wel grote Jupiter-achtige exoplaneten zijn, en geen aarde-achtige.

Rood- en blauwverschuiving: het dopplereffect Licht bestaat uit (elektromagnetische) golven die met de grootst mogelijke snelheid (300.000 kilometer per seconde) van de lichtbron weg bewegen. Onderweg golft een lichtdeeltje als het ware op een neer als een bootje dat op de golven van de oceaan dobbert. Hierbij geldt dat de afstand tussen twee golfpieken voor elke kleur licht anders is: bij rood licht is deze golflengte groter dan bij blauw licht. Dus: de golflengte van een lichtgolf bepaalt welke kleur dit licht heeft. Gewoon wit licht bestaat eigenlijk niet: in feite is het een mengsel van lichtgolven van allerlei golflengten/kleuren. Dat kun je ook zelf constateren als je het licht van bijvoorbeeld de zon of een gloeilamp door een stuk glas laat gaan. Het licht wordt dan letterlijk tot alle kleuren van de regenboog uiteengerafeld. Het kleurenbandje dat dan te zien is, wordt een spectrum genoemd. Alle objecten die licht uitstralen, sterren dus ook, hebben hun eigen karakteristieke spectrum. Vaak zijn hierin op allerlei plaatsen – bij allerlei golflengten dus – donkere lijntjes te zien, die worden veroorzaakt door de aanwezigheid van bepaalde scheikundige elementen. Zulke spectraallijnen hebben een vaste plek in het spectrum; zo heeft het element waterstof bijvoorbeeld een opvallende spectraallijn in het rood, bij een golflengte van 656 nanometer (miljardste meter). Bij een gewone ster kom je dus altijd een spectraallijn op 656 nm tegen. Maar als die ster een beetje heen en weer wordt getrokken – bijvoorbeeld door een planeet die eromheen draait – is dat aan zijn spectraallijnen te zien. Dat heeft te maken met het zogeheten dopplereffect. De ster S beweegt naar links. Waarnemer A ziet de lichtgolven veel korter na elkaar aankomen dan waarnemer B: dit is het dopplereffect. (Uit: Astronomy, the Evolving Universe - 7th edition, Michael Zeilik, John Wiley & Sons 1994) Het dopplereffect is ook bij geluidsgolven waarneembaar, maar we beperken ons hier tot licht. Als een lichtgolf wordt uitgezonden door een bron die naar de waarnemer toe beweegt, worden de golven als het ware een beetje in elkaar gedrukt. Hierdoor krijgt het licht een iets kortere golflengte: het wordt blauwer. Het omgekeerde gebeurt bij een lichtbron die van de waarnemer weg beweegt: de lichtgolven worden uitgerekt, en het licht wordt roder. In het geval van een ster die heen en weer wordt getrokken, zie je dus een periodiek verschijnsel. Op momenten dat de ster naar ons toe komt, is zijn licht een beetje blauwverschoven, en verschuiven zijn spectraallijnen naar iets kortere golflengten. Beweegt de ster weer van ons weg, dan is zijn licht roodverschoven, en verschuiven zijn spectraallijnen naar iets langere golflengten. De exoplaneten die tot nu toe ontdekt zijn, hebben hun ontdekking uitsluitend te danken aan het feit dat de spectra van hun moedersterren zulke heen en weer bewegende spectraallijnen laten zien. Uit de regelmaat waarmee dat gebeurt, kan de omlooptijd van de planeet in kwestie worden bepaald en daarmee ook zijn gemiddelde afstand tot de ster.

SETI@home

De vaststelling dat veel nabije sterren een eigen planetenstelsels hebben, is bemoedigend voor diegenen die nog steeds in het kader van SETI (de Search for Extraterrestrial Intelligence) naar kunstmatige signalen uit het verre heelal ‘luisteren’. Dat dit tot nog toe geen resultaten heeft opgeleverd, mag nauwelijks een wonder heten: als er al van die signalen zijn, weet je nog niet op welke golflengte ze worden uitgezonden. Misschien zendt ET wel een ‘radioshow’ uit, maar weten we gewoon niet op welke zender we moeten afstemmen. Daarbij komt nog dat zulke signalen hoe dan ook bijzonder zwak zullen zijn, en vrijwel ten onder gaan in de natuurlijke radioruis die door alle sterren en andere hemellichamen van het Melkwegstelsel worden uitgezonden.
Omdat (grote) radiotelescopen uitermate kostbaar zijn, en de kans van slagen voor SETI door de meeste wetenschappers uiterst klein wordt ingeschat, zijn er op dit moment maar weinig instrumenten waarmee uitsluitend naar buitenaardse signalen wordt geluisterd. Desondanks worden er wel veel gegevens verzameld. Dat gebeurt onder meer bij het Serendip-project, dat wordt uitgevoerd met de grootste radiotelescoop ter wereld: die van Arecibo op Puerto Rico. Hierbij vangt speciale SETI-apparatuur – een soort radio die naar miljoenen golflengten tegelijk luistert – radiosignalen op van elk punt van de hemel waar de radiotelescoop voor andersoortig sterrenkundig onderzoek toch op gericht is.
Alle signalen die bij Serendip worden opgevangen moeten vervolgens worden geanalyseerd, iets dat met supersnelle computers gebeurt. Om de bestaande computercapaciteit te vergroten hebben de SETI-onderzoekers een slimme oplossing bedacht: ze maken gebruik van de overtollige computercapaciteit van inmiddels al enkele miljoenen particulieren! Deze halen op het Internet een pakketje waarneemresultaten op, dat vervolgens met een gratis softwarepakket (in de vorm van een screen saver) wordt verwerkt op momenten dat de gebruiker zijn pc even niet nodig heeft. Zodra de gegevensverwerking gedaan is, wordt het resultaat teruggestuurd en kan een nieuw pakketje worden opgehaald.
Dit SETI@home-project is een groot succes: tijdens het eerste jaar hebben de deelnemers tezamen al 280.000 jaar computertijd ‘gedoneerd’, en per dag komen er enkele duizenden gebruikers bij. Tot de deelnemers behoren scholieren, gepensioneerden, wetenschappers, maar ook volslagen leken. De een heeft een snelle computer, de ander een trage, maar de enige voorwaarde voor deelname is toegang tot het Internet. Of SETI@home het felbegeerde signaal van een buitenaardse beschaving zal opsporen, is natuurlijk zeer de vraag. Maar een leuke collectieve onderneming met een vleugje wetenschap is het natuurlijk wel.