Onderzoeksproject P7/15 (Onderzoeksactie P7)
De evolutie van planeten wordt gedreven door de samenstelling, structuur en thermische toestand van hun kern, mantel, lithosfeer en korst, en door hun interacties met een oceaan en atmosfeer, indien aanwezig. De essentie van dit voorstel is het verwerven van een fundamenteel begrip van de relaties en interacties tussen deze verschillende planetaire reservoirs en van hun evolutie doorheen de tijd. Het project belooft daardoor een dieper inzicht in de oorsprong en duurzaamheid van leven op planeten, met inbegrip van de Aarde.
De voorgestelde interdisciplinaire benadering, toegepast in dit project, overtreft die van huidige studies in aard- en planetaire wetenschappen en astronomie door
- de volledige planeet, van de buitenste atmosfeerlagen tot het diepste binnenste, te beschouwen in het kader van de studie van haar levensvatbaarheid;
- naast de Aarde ook andere rotsachtige hemellichamen in het zonnestelsel te bekijken, namelijk aardse planeten, natuurlijke manen en ongedifferentieerde asteroïden.
Bijzondere aandacht wordt besteed aan Mars, maar ook aan planeten en manen die een atmosfeer (Aarde, Mars, Venus en Titan) of een ondergrondse oceaan bezitten (zoals Europa), aangezien die hemellichamen de beste kandidaten zijn om leven te herbergen.
De Interuniversitaire Attractiepool (IUAP) ‘PLANET TOPERS’ (Planets: Tracing the Transfer, Origin, Preservation, and Evolution of their ReservoirS) behandelt vier hoofdthema’s: (1) de interactie tussen het planeetinwendige en de atmosfeer, (2) de wisselwerking tussen de atmosfeer en de ruimte, (3) de identificatie van indicatoren van leven en de interactie van leven met de planetaire evolutie, en (4) de accretie en de evolutie van planeten. De vier thema’s zullen voorts worden geïntegreerd in een vergelijkende studie van de geschiedenis van de levensvatbaarheid van Mars, de Aarde en Venus.
Het onderzoeksprogramma bouwt voort op, verfijnt en koppelt modellen voor de individuele reservoirs, onder andere ontwikkeld door de verschillende partners. Het integreert ook nieuwe resultaten van planetaire geodesie over het diepe planeetinwendige en van remote sensing van de atmosfeer, laboratoriumstudies van meteorietstalen en observaties van sporen van leven in vroegere en huidige extreme omstandigheden. Het onderzoek naar biomarkers en sporen van leven op de jonge Aarde dient als gevalstudie om technieken te verfijnen die het mogelijk moeten maken om potentiële habitats en leven op andere planeten te ontdekken. Bijzondere aandacht wordt ook besteed aan impactprocessen, belangrijk voor de evolutie van planeten, en aan meteorieten, die getuigen van de evolutie van het jonge zonnestelsel en van geologische processen op andere planetaire lichamen. Het voorgestelde onderzoek steunt ook op spectroscopische en isotopische metingen in het laboratorium, ontwikkelingen in de analytische geochemie en theoretische berekeningen om referentieparameters te bepalen en om reactiemechanismen te ontrafelen. Daardoor kan een maximum aan informatie uit de observatiegegevens worden gehaald en een dieper inzicht worden verworven in de chemie, de fysica en de dynamica van atmosferen en rotsachtige materialen.
Het onderzoek dat uitgevoerd zal worden door de IUAP wordt als volgt georganiseerd:
C) DOEL: het beter begrijpen van het begrip levensvatbaarheid, te weten de omgevingscondities die leven kunnen ondersteunen
B) DOELSTELLINGEN:
- Het verbeteren van ons inzicht in de thermische evolutie en in de veranderingen in samenstelling van de verschillende reservoirs (kern, mantel, korst, atmosfeer, hydrosfeer, cryosfeer en de ruimte), met inbegrip van hun interacties en feedbackmechanismen;
- Het onderzoek naar de chronologie van de differentiatieprocessen, de voorwaarden voor aanvang van platentektoniek en recycling van de korst, en de gevolgen voor de evolutie in de temperatuur en de samenstelling van een planeet in de vroege ontwikkelingsstadia;
- De studie van de effecten van inslagen van meteorieten en kometen op de evolutie van de atmosfeer van planeten, als gevolg van hun effect op het massaverlies en aangroei van de atmosfeer en op het magnetisch veld;
- Het bepalen van de observationele randvoorwaarden verbonden met meteorieten om het inslagproces en de inslagfluxen in functie van de tijd beter te begrijpen;
- Het identificeren van bewaarde biosignatures en het verbeteren van onze kennis over de interacties tussen leven en geochemische reservoirs in de tijd; het zoeken naar sporen van leven, met de vroege ontwikkelingsstadia van de Aarde als gevalstudie;
- Het uitvoeren van een gedetailleerde vergelijking van de levensvatbaarheid van Mars, de Aarde, en Venus, gebaseerd op een geïntegreerde analyse van de interagerende reservoirs.
A) METHODEN:
- Teledetectie: analyseren en interpreteren van gegevens geregistreerd door bestaande en toekomstige instrumenten (op Aarde en in de ruimte), gebruik makend van verbeterde modellen, zoals radiatieve modellen van planetaire atmosferen en modellen voor de thermische toestand en samenstelling van het planeetinwendige;
- In situ metingen: onderzoeken van indicatoren van leven in materialen van de vroege Aarde (biosignatures) en in extraterrestrische stalen (meteorieten), metingen van velden en deeltjes in de ruimte in het kader van bestaande en toekomstige ruimtemissies;
- Uitvoeren van metingen in het laboratorium en ontwikkeling van analytische en theoretische methoden ter ondersteuning van zulke metingen;
- Ontwikkelen en verbeteren van modellen en integreren van nieuwe resultaten van laboratoriumdata.
Van primair belang, in termen van globale systeemevolutie, zijn de vroege ontwikkelingsstadia van Mars, Venus en de Aarde, die eerst soortgelijk waren maar rond 4 miljard jaar geleden divergeerden. De redenen voor dit verschil in evolutie worden in dit voorstel bestudeerd aan de hand van vergelijkende studies met andere rotsachtige lichamen, die vanaf het begin een ander evolutionaire weg gevolgd hebben, zoals Mercurius, de manen en kleine rotsachtige lichamen in de asteroïdengordel.
Het IUAP netwerk verbindt onderzoeksteams met verschillende, maar sterk complementaire deskundigheid. De partners behoren tot twee Belgische federale instituten, vier Belgische universiteiten en één Duits onderzoekscentrum. Het IUAP brengt bestaande en internationaal erkende deskundigheid in planetaire wetenschappen, geobiologie, cosmo- en geochemie, en analytische en fysische chemie samen, met de bedoeling om een solide interdisciplinair infrastructuurnetwerk op te richten in België. Dankzij deze synergie kan zeer geavanceerd onderzoek naar planetaire evolutie uitgevoerd worden en wordt het internationale concurrentievermogen van de betrokken Belgische teams versterkt. Als ondersteunende activiteiten van de IUAP wordt opleiding voorzien voor doctoraatsstudenten en post-docs en worden workshops en activiteiten voor het brede publiek georganiseerd. Al deze activiteiten zullen verder aangevuld worden met uitwisseling van soft skills en communicatie gericht op het optimaliseren van de interacties tussen de betrokken wetenschappers.
Aangezien de onderzoeksstrategie hoofdzakelijk gericht is op het ontrafelen en het begrijpen van de mechanismen en de uitwisselingen tussen de verschillende planetaire reservoirs, worden specifieke methoden ontwikkeld om de onderlinge samenwerking te verhogen, bijvoorbeeld door via de bepaling van (post)doctorale onderzoeksonderwerpen de nadruk te leggen op de interactie tussen de verschillende reservoirs in een transdisciplinaire aanpak tussen de verschillende teams. In samenwerking en volledige synergie met de buitenlandse partner, is het de bedoeling te evolueren tot een excellentiecentrum op internationaal niveau in de planetologie, astrobiologie en levensvatbaarheid.
Het beantwoorden van de vraag naar de mogelijkheid en de limieten van buitenaards leven is van fundamenteel belang voor de mensheid en heeft grondige filosofische implicaties. Door de interacties tussen planetaire evolutie en leven op zo’n brede schaal te evalueren, zal het PLANET TOPERS project helpen om de evolutie van onze eigen planeet (zelfs de huidige antropogene effecten) in perspectief te plaatsen.
