Recente laboratoriumexperimenten hebben een verrassende mogelijkheid aan het licht gebracht: sommige planeten zouden hun eigen water kunnen genereren, in plaats van het te verkrijgen van externe bronnen zoals kometen of asteroïden. Deze ontdekking verandert ons begrip van hoe waterrijke exoplaneten ontstaan aanzienlijk en roept nieuwe vragen op over het potentieel voor leven buiten de aarde.
Extreme planetaire omstandigheden simuleren
Onderzoekers hebben met succes de extreme omstandigheden op bepaalde exoplaneten gesimuleerd door olivijn – een veel voorkomend mineraal in het interieur van planeten – te onderwerpen aan hoogenergetische laserstralen in de aanwezigheid van waterstofgas. Dit proces ontdoet het mineraal effectief van zijn zuurstofatomen, waardoor de zuurstof kan reageren met de waterstof en vervolgens water kan produceren. Het team publiceerde hun bevindingen op 29 oktober in Nature.
Waterrijke exoplaneten: een al lang bestaand mysterie
Het bestaan van talloze exoplaneten, variërend in grootte en massa tussen de aarde en Neptunus, heeft wetenschappers voor raadsels gesteld. Veel van deze planeten draaien opmerkelijk dicht in de buurt van hun gaststerren, veel dichterbij dan de aarde om de zon draait. Hun dichtheid geeft aan dat ze een rotsachtig interieur en een aanzienlijke laag water of waterstof bezitten. Hoe deze planeten zoveel water konden verzamelen, is echter onduidelijk gebleven.
De sneeuwgrens en traditionele theorieën
Ons zonnestelsel is een duidelijk voorbeeld van de ‘sneeuwgrens’, een grens waarboven water in overvloed aanwezig is als gevolg van lagere temperaturen. Binnen de sneeuwgrens, zoals te zien op Venus, heeft water de neiging te verdampen. Planeten voorbij de sneeuwgrens, zoals Saturnus en Neptunus, zijn rijk aan zowel water als gas. Astrofysici geloofden aanvankelijk dat waterige exoplaneten zich ver van hun sterren moesten vormen en vervolgens naar binnen moesten migreren. Het nieuwe onderzoek suggereert echter dat water lokaal onder de juiste omstandigheden kan worden geproduceerd door middel van chemische reacties.
Extreme omgevingen opnieuw creëren: een diamantuitdaging
Het repliceren van deze extreme omstandigheden bleek een uitdaging. Wetenschappers gebruikten een ‘diamanten aambeeldcel’ – een klein bakje – om de vereiste temperatuur en druk te bereiken. Verwarmde waterstofmoleculen infiltreerden echter in de structuur van de diamant, waardoor deze uiteenviel. Om deze hindernis te overwinnen, schakelden onderzoekers over op het gebruik van gepulseerde lasers, waarbij het monster gedurende zeer korte perioden werd verwarmd.
‘Ik heb nog steeds veel diamanten gebroken’, geeft Harrison Horn toe, een planetaire wetenschapper aan het Lawrence Livermore National Laboratory.
Onverwachte waterovervloed
Toen het experiment succesvol was, waren de wetenschappers verrast door de enorme hoeveelheid geproduceerd water. “Er was geen steen meer. Het enige dat ik had was metaal en water”, zei Horn. Geofysicus Dan Shim van de Arizona State University voegde hieraan toe: “We hebben het over veel water, duizenden keren meer water dan verwacht voor de aarde als je een dikke laag waterstofatmosfeer hebt.” Opmerkelijk genoeg werd ongeveer 18 procent van de oorspronkelijke massa omgezet in water.
De grenszone: waar water ontstaat
De onderzoekers geloven dat dit watergenererende proces plaatsvindt op de grens tussen het rotsachtige binnenste van een planeet en de waterstofrijke atmosfeer, waar hoge drukken en temperaturen de reactie kunnen aandrijven. De resulterende werelden kunnen óf enorme oceaanwerelden zijn, twee tot vijf keer zo groot als de aarde en bedekt met diepe vloeibare oceanen, óf ‘hyceïsche’ werelden – die met een enorme oceaan bedekt door een dikke waterstoflaag.
Een continuüm van werelden
De bevindingen suggereren dat dit soort werelden punten op een continuüm vertegenwoordigen in plaats van afzonderlijke categorieën. ‘Ze zijn verwant, als neven en nichten,’ legde Shim uit. Of een planeet een oceaanwereld of een hyceïsche wereld wordt, hangt waarschijnlijk af van factoren zoals de nabijheid van de ster, de grootte en de oorspronkelijke samenstelling.
Implicaties voor de bewoonbaarheid
De studie ondersteunt het voortdurende debat over de bewoonbaarheid van hyceaanse werelden. Hoewel recent onderzoek suggereerde dat een groot deel van hun water in hun mantels zou kunnen vastzitten, waardoor het oppervlak droog blijft, vergroot deze nieuwe studie de kans op overvloedig oppervlaktewater. ‘Misschien is het goed nieuws voor het leven op die planeten’, zegt Remo Burn, astrofysicus bij het Observatoire de la Côte d’Azur.
Het eeuwenoude water van de aarde: een mogelijke oorsprong
Deze bevindingen bieden ook inzicht in de oorsprong van het water op aarde. Hoewel de extreme omstandigheden die nodig zijn voor deze reactie vandaag de dag niet op aarde bestaan, waren ze mogelijk al aanwezig tijdens de vorming ervan. Een vroege aarde met een dikke waterstofatmosfeer had soortgelijke watervormende reacties kunnen faciliteren.
Bewijs uit oude, diep in de aarde gelegen diamanten – die kleine waterblaasjes met een unieke chemische signatuur bevatten – ondersteunt deze hypothese en suggereert twee verschillende waterreservoirs op aarde: een primitief reservoir dat is gevormd door vroege chemische reacties, en een later onderdeel dat is ontstaan door waterrijke kometen en asteroïden.
