Når det gjelder å søke etter verdener som kan støtte utenomjordisk liv, er forskere nå avhengige av "lavthengende frukt" -tilnærmingen. Siden vi bare kjenner til ett sett med forhold som livet kan trives - dvs. det vi har her på jorden - er det fornuftig å se etter verdener som har de samme forholdene. Disse inkluderer å være lokalisert i en stjernes beboelige sone, ha en stabil atmosfære og å kunne holde flytende vann på overflaten.
Til nå har forskere stolt på metoder som gjør det veldig vanskelig å oppdage vanndamp i atmosfæren til jordbaserte planeter. Men takket være en ny studie ledet av Yuka Fujii fra NASAs Goddard Institute for Space Studies (GISS), kan det være i ferd med å endre seg. Ved å bruke en ny tredimensjonal modell som tar hensyn til globale sirkulasjonsmønstre, indikerer denne studien også at beboelige eksoplaneter kan være vanligere enn vi trodde.
Studien, med tittelen “NIR-driven Moist Upper Atmospheres of Synchronously Rotating Temperate Terrestrial Exoplanets”, dukket nylig opp i The Astrophysical Journal. I tillegg til Dr. Fujii, som også er medlem av Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology, inkluderte forskerteamet Anthony D. Del Genio (GISS) og David S. Amundsen (GISS og Columbia University).
For å si det enkelt, flytende vann er essensielt for livet slik vi kjenner det. Hvis en planet ikke har en varm nok atmosfære til å opprettholde flytende vann på overflaten i tilstrekkelig mye tid (i størrelsesorden milliarder av år), er det lite sannsynlig at livet vil kunne dukke opp og utvikle seg. Hvis en planet er for fjern fra stjernen, vil overflatevannet fryse; hvis det er for nært, vil overflatevannet ditt fordampe og gå tapt til verdensrommet.
Mens det er blitt oppdaget vann i atmosfærene til eksoplaneter før, var planetene i alle tilfeller massive gassgiganter som gikk i bane rundt stjernene sine. (også kalt "Hot Jupiters"). Som Fujii og hennes kolleger oppgir i studien:
Selv om H2O-signaturer er blitt oppdaget i atmosfærene til varme Jupiters, er det å oppdage molekylære signaturer, inkludert H2O, på tempererte bakkeplaneter veldig utfordrende på grunn av den lille planetariusen og småskalahøyden (på grunn av lavere temperatur og antagelig større gjennomsnitt molekylær vekt)."
Når det gjelder terrestriske (dvs. steinete) eksoplaneter, ble tidligere studier tvunget til å stole på endimensjonale modeller for å beregne tilstedeværelsen av vann. Dette besto av å måle hydrogentap, der vanndamp i stratosfæren brytes ned til hydrogen og oksygen fra eksponering for ultrafiolett stråling. Ved å måle hastigheten som hydrogen går tapt i verdensrommet, ville forskere estimere mengden flytende vann som fortsatt er til stede på overflaten.
Som Dr. Fujii og hennes kolleger forklarer, er slike modeller imidlertid avhengige av flere forutsetninger som ikke kan tas opp, som inkluderer global transport av varme og vanndamp, samt virkningene av skyer. I utgangspunktet spådde tidligere modeller at for at vanndamp for å nå stratosfæren, ville de langsiktige overflatetemperaturene på disse eksoplanetene måtte være mer enn 66 ° C (150 ° F) høyere enn det vi opplever her på jorden.
Disse temperaturene kan skape kraftige konvektive stormer på overflaten. Imidlertid kan ikke disse stormene være årsaken til at vannet når stratosfæren når det kommer til at roterende planeter sakte går inn i en fuktig drivhustilstand - der vanndamp forsterker varmen. Det er kjent at planeter som går i bane rundt foreldrenes stjerner enten har en langsom rotasjon eller at de er tidvis låst med planetene sine, og dermed gjør konvektive stormer usannsynlige.
Dette forekommer ganske ofte for terrestriske planeter som er lokalisert rundt lavmasse, ultra-kule, M-type (rød dverg) stjerner. For disse planetene betyr deres nærhet til vertsstjernen at dets gravitasjonspåvirkning vil være sterk nok til å bremse eller stoppe rotasjonen deres fullstendig. Når dette skjer, dannes det tykke skyer på planetens dagside og beskytter den mot mye av stjernens lys.
Teamet fant ut at selv om dette kan holde dagkjøla kjølig og forhindre at vanndamp stiger, kan mengden nær-infrarød stråling (NIR) gi nok varme til å føre til at en planet kommer inn i en fuktig drivhustilstand. Dette gjelder spesielt M-type og andre kule dvergstjerner, som er kjent for å produsere mer i veien for NIR. Når denne strålingen varmer skyene, vil vanndamp stige inn i stratosfæren.
For å adressere dette, stolte Fujii og hennes team på tredimensjonale generelle sirkulasjonsmodeller (GCMs) som inkluderer atmosfærisk sirkulasjon og klimaheterogenitet. Av hensyn til modellen deres startet teamet med en planet som hadde en jordlignende atmosfære og var helt dekket av hav. Dette gjorde at teamet tydelig kunne se hvordan variasjoner i avstand fra forskjellige typer stjerner ville påvirke forholdene på planetens overflater.
Disse forutsetningene gjorde at teamet tydelig kunne se hvordan endring av omkretsavstanden og typen stjernestråling påvirket mengden vanndamp i stratosfæren. Som Dr. Fujii forklarte i en pressemelding fra NASA:
"Ved å bruke en modell som mer realistisk simulerer atmosfæriske forhold, oppdaget vi en ny prosess som kontrollerer eksoplanetenes levedyktighet og vil veilede oss i å identifisere kandidater til videre studier ... Vi fant en viktig rolle for den typen stråling en stjerne avgir og effekten det har en atmosfærisk sirkulasjon av en exoplanet i å gjøre det fuktige drivhustilstanden. ”
Til slutt demonstrerte teamets nye modell at siden lavmasse-stjerne avgir mesteparten av lyset deres på NIR-bølgelengder, vil en fuktig drivhustilstand føre til at planeter går i bane rundt dem. Dette vil føre til forhold på overflatene som kan sammenlignes med hva Jorden opplever i tropene, der forholdene er varme og fuktige, i stedet for varme og tørre.
Dessuten indikerte modellen deres at NIR-drevne prosesser økte fuktigheten i stratosfæren gradvis, til det punktet at eksoplaneter som kretser nærmere stjernene deres kan forbli beboelige. Denne nye tilnærmingen for å vurdere potensiell beboelighet vil tillate astronomer å simulere sirkulasjon av planetariske atmosfærer og de spesielle egenskapene ved den sirkulasjonen, noe som er en endimensjonal modell ikke kan gjøre.
I fremtiden planlegger teamet å vurdere hvordan variasjoner i planetariske egenskaper - som tyngdekraft, størrelse, atmosfærisk sammensetning og overflatetrykk - kan påvirke vanndampsirkulasjonen og -evennlighet. Dette vil, sammen med deres tredimensjonale modell som tar hensyn til planetariske sirkulasjonsmønstre, la astronomer til å bestemme potensielle levedyktighet for fjerne planeter med større nøyaktighet. Som Anthony Del Genio antydet:
"Så lenge vi vet temperaturen på stjernen, kan vi estimere om planeter i nærheten av stjernene deres har potensial til å være i den fuktige drivhustilstanden. Nåværende teknologi vil bli presset til grensen for å oppdage små mengder vanndamp i en eksoplanets atmosfære. Hvis det er nok vann å oppdage, betyr det sannsynligvis at planeten er i den fuktige drivhustilstanden. ”
Utover å tilby astronomer en mer omfattende metode for å bestemme eksoplanettens brukbarhet, er denne studien også gode nyheter for eksoplanettjegere i håp om å finne beboelige planeter rundt stjerner av M-type. Lavmasse, ultra-kule stjerner av M-type er den vanligste stjernen i universet, og står for omtrent 75% av alle stjerner i Melkeveien. Når du vet at de kan støtte beboelige eksoplaneter, øker sannsynligvis oddsen for å finne en.
I tillegg er denne studien VELDIG gode nyheter gitt den nylige forskningsrommet som har kastet alvorlig tvil om stjernene i M-typen til å være vertskap for beboelige planeter. Denne forskningen ble utført som svar på de mange landlige planetene som er blitt oppdaget rundt de nærliggende røde dvergene de siste årene. Det de avslørte var at røde dvergstjerner generelt opplever for mye bluss og kunne strippe sine respektive planeter fra atmosfæren.
Disse inkluderer 7-planeters TRAPPIST-1-system (hvorav tre ligger i stjernens beboelige sone) og den nærmeste eksoplaneten til solsystemet, Proxima b. Det store antallet jordlignende planeter som er oppdaget rundt stjerner av M-type, kombinert med denne klassen av stjernens naturlige levetid, har ført til at mange i det astrofysiske miljøet våget seg om at røde dvergstjerner kanskje er det mest sannsynlige stedet å finne beboelige eksoplaneter.
Med denne siste undersøkelsen, som indikerer at disse planetene tross alt kan være beboelige, ser det ut til at ballen effektivt er tilbake i deres domstol!
