Met vloeibare kristallen buitenaards leven ontdekken

Om te weten of er leven is op exoplaneten, moet je het licht bekijken. Maar dat wordt overklast door de stralenkrans van de moederster. Leidse astronomen vonden een oplossing in de vloeibare kristallen die ook in lcd-schermen zitten.

Heldere ster in infrarood licht, gemaakt met Leidse coronagraaf op de Magellan telescoop in Chili. Het donkere 'gat' in de halo is honderdduizend keer lichtzwakker dan de ster.

Het gesternte was astronomen gunstig gezind; de ster - de zon even niet meegerekend - die het dichtst bij de aarde staat, heeft een planeet die mogelijk sterk op de onze lijkt. Als Proxima B, die ruim een jaar geleden werd ontdekt, echt een zusje van de aarde is, is er misschien ook wel leven. Maar hoe kom je daar achter? Erheen vliegen gaat niet: te ver. Dus moeten astronomen kijken, met een telescoop.

Het bekijken van een exoplaneet op lichtjaren afstand is alsof je een rood bloedlichaampje op de Mount Everest probeert te spotten, zegt de Leidse astronoom Frans Snik met het soort metafoor waar sterrenkundigen patent op lijken te hebben. Alleen willen Snik en zijn Leidse collega's niet slechts een exoplaneet bekijken, ze willen ook zien of er leven is.

Hoe doe je dat? Door te kijken naar het licht dat de planeet reflecteert. Het licht van de nabije ster wordt gereflecteerd door de planeet en haar eventuele atmosfeer. Dit licht is gepolariseerd, zoals de blauwe lucht die wij op aarde zien uit gepolariseerd zonlicht bestaat. Het is daarmee anders van samenstelling dan het licht dat direct van de ster afkomt. Wanneer het kleine beetje gepolariseerde licht van de verre planeet uit elkaar getrokken wordt, kan uit het patroon dat daarin gevonden wordt, worden herleid welke stoffen er in de atmosfeer zitten. Daartoe maken de Leidse astronomen onder meer gebruik van een technologie die spectrografie wordt genoemd.

Spectrografie

Zit er bijvoorbeeld zuurstof in de atmosfeer, zoals op aarde, dan ontstaat in het uitgetrokken reepje licht een dip bij 760 nanometer, iets roder dan onze ogen kunnen waarnemen. 'Zuurstof is de heilige graal', zegt Snik. 'Want het betekent vrijwel zeker leven.' Methaan is ook interessant, maar daarvan is het bewijs minder sterk, omdat het ook afkomstig kan zijn van geologische processen. 'Als we zuurstof op Proxima B vinden, dan is het leven er van recente datum, omdat zuurstof na een paar duizend jaar verdwenen is.'

Probleem bij de bestudering van exoplaneten is dat de oplichtende halo rond de ster eventuele planeten verstraald met een factor duizend tot tien miljard, waardoor ze onzichtbaar worden. Om exoplaneten direct in beeld te krijgen, monteren astronomen daarom een coronagraaf op hun telescoop; een soort afdekplaatje waardoor het felle licht van de ster wordt geblokkeerd. Maar coronagrafen kennen nadelen: doordat de telescoop altijd een beetje trilt, valt het sterlicht af en toe naast het plaatje, waardoor de waarneming wordt verstoord.

Vloeibare kristallen

Er moest dus een coronagraaf worden gemaakt die onafhankelijk van de positie van de ster werkt en geen last heeft van trillingen door de telescoop. Een schijnbaar onmogelijke opdracht. De oplossing kwam uit onverwachte hoek: vloeibare kristallen, die we ook wel kennen van lcd's in beeldschermen van smartphones en televisies. Door met de vloeibare kristallen een soort hologram te maken van minieme puntjes die de halo rond de ster dempen op de plek waar de exoplaneet zich bevindt.

Met behulp van wiskundige modellen wordt een pixelpatroon berekend dat het licht zo manipuleert dat het op de juiste plaats wordt uitgedoofd. Door ze in een ragfijn patroon (elk puntje is 4 micron, tegen ongeveer 60 micron voor het scherpste smartphonescherm) te rangschikken en te fixeren, lukt het de wetenschappers het licht van de halo met een factor honderdduizend uit te doven. 'In feite brengen we bewust een foutje aan op de spiegel van de telescoop', zegt Snik.

Zonsverduistering

Tot de uitvinding van de coronagraaf (een schijfje dat in een telescoop wordt gemonteerd zodat de zon wordt afgedekt) in de jaren dertig, hadden astronomen alleen de maan als coronagraaf. In de spaarzame minuten dat de maan soms voor de zon schuift, konden zij dan diens stralenkrans bestuderen. Komende zomer vindt weer zo'n zonsverduistering plaats. Op 21 augustus zal in veertien Amerikaanse staten een volledige zonsverduistering optreden.

Om te achterhalen welke patronen goed werken, simuleren de astronomen in hun Leidse lab sterrenschijnsel met behulp van laserlicht dat via diverse lenzen wordt omgevormd tot een 'ster' met zijn eigen halo. Studenten voeren hier de berekeningen uit. De coronagraaf wordt vervolgens gemaakt bij de universiteit van North Carolina, waarmee de Leidenaren samenwerken.

Inmiddels weten de astronomen de halo van sterlicht honderdduizend keer af te zwakken. Dat is nog niet voldoende om de atmosfeer van bijvoorbeeld Proxima B te kunnen analyseren. 'We moeten zowel voor telescopen als onze coronagrafen stappen maken die duizend keer verder gaan', zegt hoogleraar experimentele astrofysica Christoph Keller, die samen met Snik aan de coronagrafen werkt.

Is het niet handiger om ruimtetelescopen te gebruiken? Dan heb je geen last van verstoringen door de aardse atmosfeer. 'Onze coronagraaf is bij uitstek geschikt voor kleine ruimtetelescopen', zegt Snik. Omdat ze licht zijn, en vooral omdat de telescoop niet hoeft te worden voorzien van kostbare stabilisatiemechanismen, omdat de Leidse coronagraaf geen hinder heeft van eventuele trillingen.

Artist impression van de planeet Proxima B. Beeld reuters

Planeet onder de loep

Op kosmische schaal gezien bevindt Proxima Centauri zich misschien om de hoek, maar 40 biljoen kilometer is voor een ruimtereiziger natuurlijk niet bepaald naast de deur. Hoe kunnen we meer te weten komen over het zusje van de aarde dat rond de naaste buur van de zon cirkelt?

Maar de Leidse astronomen zien voorlopig vooral heil in telescopen op aarde, omdat die nu eenmaal makkelijker bereikbaar zijn en experimenteren makkelijker gaat. 'Als een coronagraaf niet goed blijkt te werken, laten we gewoon een nieuwe maken in North Carolina en monteren we die een week later in de telescoop', zegt Snik. Collega Keller: 'We houden van quick and dirty. Klooien met duct tape en karton. De tijd die het vergt om een telescoop te lanceren, werkt nu nog in ons nadeel. Telescopen op aarde zijn heel flexibel.'

Bovendien zijn aardse telescopen veel groter. De James Webb-telescoop, de opvolger van de Hubbletelescoop, die volgend jaar gelanceerd wordt, heeft een spiegel van 6,5 meter, terwijl de in aanbouw zijnde Europese reuzentelescoop ELT een spiegel krijgt van 39 meter. 'Vanaf de grond kunnen we in principe veel scherper kijken en vangen we veel meer licht dan in de ruimte', zegt Snik.

Dus blijven de astronomen nog even op aarde. Snik heeft goede hoop dat ze met hun methode buitenaards leven zullen vinden. Hoe snel? 'Ik heb gewed dat we eerder leven op een exoplaneet zullen ontdekken dan dat er mensen op Mars staan.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden