Voor zover we weten, heeft buitenaards leven rotsachtige planeten nodig om van te leven. De vroegste van dergelijke planeten zou vol koolstof kunnen zijn geweest, met vroege levensvormen die op werelden verschijnen met lagen diamant onder hun korsten en steenzwarte oppervlakrotsen.
Een recent onderzoek door Natalie Mashian en Avi Loeb van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bekeek de vorming van planeten rond koolstofarme metalen arme sterren (CEMP's). Dit soort sterren vormden zich waarschijnlijk in het vroege universum, net nadat de eerste generatie massieve sterren hun nucleaire brandstof had verbrand en explodeerde als supernovae. Als er planeten rond dergelijke sterren zijn, betekent dit dat het leven binnen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, 13, 8 miljard jaar geleden, in het universum had kunnen verschijnen. Eerdere studies suggereerden dat het misschien langer had geduurd; het oudste exoplanetsysteem dat ooit is ontdekt, Kepler 444, omringt een ster die ongeveer 11, 2 miljard jaar oud is.
Elementen zoals ijzer en silicium worden meestal beschouwd als essentieel voor het maken van planeten, omdat ze stofkorrels vormen waaromheen grotere lichamen kunnen vormen via zwaartekrachtaccretie. Zelfs waterstofrijke gasreuzen zoals Jupiter gingen uit van zo'n 'zaad'. CEMP's hebben echter niet zoveel zware elementen zoals ijzer als onze zon, slechts honderdduizendste zoveel wat iets zegt omdat de zon slechts 0, 003 procent ijzer is. Dus als CEMP's zich voornamelijk vormen uit gaswolken en stof van koolstof, zuurstof en stikstof, is een vraag of planeten zoals de aarde, met vaste oppervlakken, kunnen vormen.
Mashian en Loeb suggereren dat planeten in feite kunnen groeien in zo'n nevel, en daarom rond CEMP's. Astronomen kunnen ze vinden met enkele van de nieuwste ruimtetelescopen en toekomstige instrumenten, zoals de James Webb Space Telescope, zodra ze online komen. "De methoden zijn dezelfde [als voor eerdere exoplanet-missies]", vertelde Loeb aan Smithsonian.com. "Je zou op zoek gaan naar planeten die hun sterren passeren."
In hun onderzoek modelleren Mashian en Loeb de afstanden van CEMP's die de planeten zouden vormen, en hoe groot ze waarschijnlijk zullen zijn. Zulke planeten zouden weinig ijzer en silicium hebben, de elementen die een groot deel van de aarde uitmaken. In plaats daarvan zouden ze rijker zijn aan koolstof. Ze ontdekten dat de maximale grootte de neiging zou hebben om ongeveer 4, 3 keer de straal van de aarde te zijn. Een koolstofplaneet zou volgens de studie ook veel koolwaterstofmoleculen op het oppervlak kunnen vormen, op voorwaarde dat de temperatuur niet te hoog is. En elke planeet met een massa van minder dan ongeveer 10 keer die van de aarde, zou veel koolmonoxide en methaan in zijn atmosfeer vertonen, zegt de studie.
In een nevel rijk aan lichtere elementen voegde hij eraan toe dat er waarschijnlijk ook water is, een ander belangrijk onderdeel van een biosfeer. "Zelfs met lage zuurstofgehaltes neigt waterstof ertoe ermee te combineren en water te maken, " zei hij. Dus een koolstofplaneet kan water bevatten. Loeb zei in een verklaring dat, aangezien het leven zelf op koolstof is gebaseerd, dat een goed voorteken is voor het uiterlijk van levende wezens.
CEMP's zijn zo arm aan zwaardere elementen omdat ze zijn gebouwd op basis van de overblijfselen van de eerste sterren die in het universum verschijnen - kolossen met honderden keren de massa van de zon. De kern van een massieve ster is als een ui. De zwaarste elementen gecreëerd door kernfusie bevinden zich in de richting van het midden - het ijzer, magnesium en silicium bevinden zich in de binnenste lagen, terwijl koolstof, zuurstof en wat resterende helium en waterstof zich in de buitenste lagen bevinden. Loeb zei dat veel van het materiaal in de binnenste lagen - die zwaardere elementen - terugvallen in het zwarte gat dat ontstaat nadat de ster een supernova wordt. Ondertussen worden de lichtere elementen in de ruimte uitgeworpen om nieuwe sterren te vormen. Die sterren, die zich vormen uit de gassen die overblijven van de eerste, zouden arm zijn aan metalen zoals ijzer, maar koolstofrijk - de CEMP's.
Pas later, wanneer minder massieve sterren verouderen en exploderen als supernova, kunnen de zwaardere metalen eruit komen. Een ster onder de 25 massa's van de zon zal instorten in een neutronenster of eindigen als een witte dwerg. In tegenstelling tot zwarte gaten, hebben neutronensterren en witte dwergen geen ontsnappingssnelheden sneller dan licht, dus de supernova-explosie zal waarschijnlijk het ijzer vanuit de kern van de ster verspreiden. Dat is waarom sterren zoals de zon net zoveel ijzer hebben als zij, en waarom de aarde nog zwaardere elementen heeft.
Of dergelijke planeten leven hebben of niet, is echter nog een open vraag. In de studie zelf gaat het er meer om de planeten in de eerste plaats te vormen, wat een essentiële stap voor het leven is. "Mijn afgestudeerde student [Mashian] is conservatief, " grapte Loeb. Om tekenen van leven te zien, moet men de atmosfeer van de planeten in kwestie zien. Het doelwit zou de signatuur van zuurstof zijn, die op de een of andere manier ontbreekt om het aan te vullen, zal uit de atmosfeer van een planeet verdwijnen als het reageert met oppervlaktestralen. Op aarde wordt de zuurstof gemaakt door planten, die koolstofdioxide opnemen. Aliens die naar de atmosfeer van onze eigen planeet kijken, zullen merken dat er iets aan de hand is.
Het zien van die atmosferen - ervan uitgaande dat de planeten zelf worden gevonden - zal waarschijnlijk krachtigere telescopen vereisen dan nu beschikbaar zijn. "[De James Webb Space Telescope] kan het marginaal doen voor de dichtstbijzijnde sterren, " zei hij. "Maar CEMP's zijn tien keer verder weg."
