Om leven te huisvesten, tenminste zoals wij dat kennen, moet een planeet rond een ster draaien die relatief kalm en stabiel is. De baan van de planeet moet ook bijna cirkelvormig zijn, zodat de planeet het hele jaar door een vergelijkbare warmte ervaart. En het mag niet te heet zijn, anders kookt het oppervlaktewater; niet te koud, anders blijft het water in het ijs opgesloten; maar precies goed, zodat rivieren en zeeën vloeibaar blijven.

Deze kenmerken definiëren een ‘bewoonbare zone’ rond sterren – verleidelijke plekken om op te zoeken bij de zoektocht naar levensvriendelijke exoplaneten. Maar wetenschappers onderwerpen het hele sterrenstelsel steeds meer aan een soortgelijk onderzoek. Op dezelfde manier waarop continenten met verschillende biosferen verschillende flora en fauna herbergen, kunnen verschillende regio's van de Melkweg verschillende populaties sterren en planeten herbergen. De turbulente geschiedenis van de Melkweg betekent dat niet alle uithoeken van de Melkweg hetzelfde zijn, en dat slechts enkele galactische regio's precies goed zouden kunnen zijn voor het maken van planeten waarvan we denken dat ze bewoond zouden kunnen zijn.

Terwijl exoplaneetwetenschappers hun ideeën over waar ze naar buitenaards leven moeten zoeken, verfijnen, denken ze nu na over de oorsprong van een ster en zijn omgeving, zei Jesper Nielsen, een astronoom aan de Universiteit van Kopenhagen. Nieuwe simulaties, samen met waarnemingen van satellieten die op planeten jagen en miljoenen sterren in de gaten houden, schetsen een beeld van hoe verschillende galactische buurten – en misschien zelfs verschillende sterrenstelsels – op verschillende manieren planeten vormen.

“Dat kan ons op zijn beurt helpen beter te begrijpen waar we onze telescopen op moeten richten”, zegt Nielsen.

Galactische geografie

Vandaag de Melkweg heeft een ingewikkelde structuur. Het centrale superzware zwarte gat wordt omgeven door de 'uitstulping', een dikke massa sterren waarin zich enkele van de meest senioren van het sterrenstelsel bevinden. De uitstulping wordt omhuld door de ‘dunne schijf’, de structuur die je op een heldere, donkere nacht boven je hoofd kunt zien slingeren. De meeste sterren, inclusief de zon, bevinden zich in de spiraalvormige armen van de dunne schijf, die worden omarmd door een bredere “dikke schijf” die oudere sterren bevat. En een diffuse, grotendeels bolvormige halo van donkere materie, heet gas en enkele sterren omhult de hele architectuur.

Al minstens twintig jaar vragen wetenschappers zich af of de bewoonbare omstandigheden tussen deze structuren variëren. Het eerste onderzoek naar de bewoonbaarheid van galactische planeten dateert uit 2004, toen de Australische wetenschappers Charles Lineweaver, Yeshe Fenner en Brad Gibson de geschiedenis gemodelleerd van de Melkweg en gebruikte het om te onderzoeken waar bewoonbare zones te vinden zijn. Ze wilden weten welke gaststerren voldoende zware elementen bevatten (zoals koolstof en ijzer) om rotsachtige planeten te vormen, welke sterren er al lang genoeg waren om complex leven te laten evolueren, en welke sterren (en eventuele planeten in een baan) veilig waren voor naburige supernova's. Uiteindelijk definieerden ze een ‘galactische bewoonbare zone’, een donutvormig gebied met het gat in het midden van het sterrenstelsel. De binnengrens van het gebied begint op ongeveer 22,000 lichtjaar van het galactische centrum, en de buitengrens eindigt op ongeveer 29,000 lichtjaar afstand.

In de twintig jaar daarna hebben astronomen geprobeerd de variabelen die zowel de stellaire als de planetaire evolutie in de Melkweg bepalen nauwkeuriger te definiëren. Kevin Schlaufman, een astronoom aan de Johns Hopkins Universiteit. Hij zei bijvoorbeeld dat planeten worden geboren in stoffige schijven die pasgeboren sterren omringen, en, simpel gezegd: als “een protoplanetaire schijf veel materiaal bevat dat rotsen kan maken, dan zal hij meer planeten maken.”

Sommige regio's van de Melkweg zijn mogelijk dichter bezaaid met deze planeetmakende ingrediënten dan andere, en wetenschappers proberen nu te begrijpen in welke mate galactische buurten de planeten die ze herbergen beïnvloeden.

Hier zijn exoplaneten

Onder de grofweg 4,000 bekende exoplaneten zijn er tot nu toe weinig regels die bepalen welke soorten planeten waar leven; geen sterrenstelsels lijken erg op die van ons, en de meesten van hen niet eens lijken veel op elkaar.

Nielsen en zijn collega's wilden weten of planeten zich anders zouden kunnen vormen in de dikke schijf, dunne schijf en halo van de Melkweg. Over het algemeen bevatten dunneschijfsterren meer zware elementen dan dikkeschijfsterren, wat betekent dat ze uit wolken zijn gegroeid die mogelijk ook meer planeetvormende ingrediënten bevatten. Met behulp van gegevens van de Gaia-satelliet van de European Space Agency hebben Nielsen en zijn collega's eerst sterren gescheiden op basis van hun overvloed aan bepaalde elementen. Vervolgens simuleerden ze planeetvorming onder die populaties.

Hun simulaties, dat ze in oktober publiceerden, toonde aan dat gasreuzenplaneten en superaardes – het meest voorkomende type exoplaneet – overvloediger groeiden in de dunne schijf, waarschijnlijk omdat (zoals verwacht) die sterren meer bouwmateriaal hebben om mee te werken. Ze ontdekten ook dat jongere sterren met zwaardere elementen over het algemeen meer planeten herbergden, en dat reuzenplaneten vaker voorkwamen dan kleinere planeten. Omgekeerd bestonden er vrijwel geen gasreuzen in de dikke schijf en halo.

Schlaufman, die niet bij het werk betrokken was, zei dat de resultaten logisch zijn. De samenstelling van het stof en gas waaruit sterren worden geboren, is cruciaal om te bepalen of sterren planeten zullen bouwen. En hoewel die samenstelling per locatie kan variëren, betoogde hij dat de locatie weliswaar het toneel kan vormen voor de wereldopbouw van een ster, maar dat dit misschien niet de uiteindelijke uitkomst bepaalt.

De simulaties van Nielsen zijn theoretisch, maar enkele recente observaties ondersteunen zijn bevindingen.

In juni bleek uit een onderzoek met behulp van gegevens van NASA's planeetzoekende Kepler-ruimtetelescoop dat sterren in de dunne schijf van de Melkweg meer planeten, vooral superaardes en werelden kleiner dan Neptunus, dan sterren in de dikke schijf. Eén verklaring, zei Jessie Christiansen, een exoplaneetwetenschapper aan het California Institute of Technology en mede-auteur van de studie, is dat oude sterren met dikke schijven mogelijk zijn geboren toen de ingrediënten voor het maken van planeten schaars waren, voordat generaties stervende sterren de kosmos bezaaiden met het bouwen blokken van werelden. Of misschien zijn de dikke schijfsterren geboren in dichte omgevingen met veel straling, waar turbulentie verhindert dat babyplaneten überhaupt samensmelten.

Planeten doen het wellicht beter in open gebieden, zoals de buitenwijken, in plaats van in dichtbevolkte ‘stedelijke’ gebieden, aldus Christiansen. Onze zon bevindt zich in zo’n dunbevolkte buitenwijk.

Andere aardes

De onderzoeken van Christiansen en de simulaties van Nielsen behoren tot de eersten die het voorkomen van planeten bestuderen als een functie van de galactische buurt; Vedante Chandra, een astronoom aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, bereidt zich voor om nog een stap verder te gaan en te onderzoeken of de planeetvorming anders zou kunnen zijn geweest in sommige van de sterrenstelsels die de Melkweg tijdens zijn groei consumeerde. In de toekomst hoopt Nielsen dat verfijnde onderzoeken en instrumenten zoals de aankomende Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA ons zullen helpen de vorming van planeten te begrijpen op dezelfde manier waarop demografen populaties begrijpen. Kunnen we voorspellen welke soorten sterren welke soorten planeten zullen herbergen? Is de kans groter dat er zich in bepaalde buurten aardes vormen? En als we weten waar we moeten zoeken, zullen we dan iets vinden dat naar ons terugkijkt?

We weten dat we in een bewoonbare zone leven, in een wereld die rond een stille ster draait. Maar hoe het leven op aarde begon, en wanneer en waarom, is de grootste vraag op elk gebied van de wetenschap. Misschien moeten wetenschappers ook nadenken over het oorsprongsverhaal van onze ster, en zelfs over die van de stellaire voorouders die miljarden jaren geleden onze uithoek van de Melkweg vormden.

“Was het leven op aarde onvermijdelijk? Was het speciaal?” vroeg Chandra. ‘Pas als je dit globale beeld begint te krijgen, kun je dat soort vragen gaan beantwoorden.’