Til tross for de tusenvis av eksoplaneter som har blitt oppdaget av astronomer de siste årene, er det en stor utfordring å avgjøre om noen av dem er beboelige eller ikke. Siden vi ikke kan studere disse planetene direkte, blir forskere tvunget til å lete etter indirekte indikasjoner. Disse er kjent som biosignaturer, som består av de kjemiske biproduktene vi forbinder med organisk liv som dukker opp i en planetens atmosfære.
En ny studie av et team av forskere fra NASA foreslår en ny metode for å søke etter potensielle tegn på liv utover vårt solsystem. Nøkkelen, anbefaler de, er å dra nytte av hyppige stjernestormer fra kule, unge dvergstjerner. Disse stormene kaster enorme skyer av stjernemateriale og stråling ut i verdensrommet, samhandler med eksoplanettatmosfærer og produserer biosignaturer som kan oppdages.
Studien, med tittelen “Atmospheric Beacons of Life from Exoplanets Around G and K Stars”, dukket nylig opp i Naturvitenskapelige rapporter. Anført av Vladimir S. Airapetian, en senior astrofysiker ved Heliophysics Science Division (HSD) ved NASA Goddard Space Flight Center, og teamet inkluderte medlemmer fra NASAs Langley Research Center, Science Systems and Applications Incorporated (SSAI), og det amerikanske universitetet .
Tradisjonelt har forskere søkt etter tegn på oksygen og metan i eksoplanettatmosfærer, siden dette er velkjente biprodukter av organiske prosesser. Over tid akkumuleres disse gassene og når mengder som kan oppdages ved hjelp av spektroskopi. Imidlertid er denne tilnærmingen tidkrevende og krever at astronomer bruker dager på å prøve å observere spektra fra en fjern planet.
Men ifølge Airapetian og kollegene er det mulig å søke etter råere signaturer på potensielt beboelige verdener. Denne tilnærmingen vil stole på eksisterende teknologi og ressurser og vil ta betydelig mindre tid. Som Airapetian forklarte i en pressemelding fra NASA:
"Vi er på leting etter molekyler dannet fra grunnleggende forutsetninger for livet - spesifikt molekylært nitrogen, som er 78 prosent av atmosfæren vår. Dette er grunnleggende molekyler som er biologisk vennlige og har sterk infrarød utsende kraft, noe som øker sjansen vår for å oppdage dem. ”
Ved å bruke livet på jorden som mal, designet Airapetian og teamet hans en ny metode for å se på eller tegn på vanndamp, nitrogen og oksygengassbiprodukter i eksoplaneter atmosfære. Det virkelige trikset er imidlertid å dra nytte av den slags ekstreme romværhendelser som oppstår med aktive dvergstjerner. Disse hendelsene, som utsetter planetariske atmosfærer for utbrudd av stråling, forårsaker kjemiske reaksjoner som astronomer kan plukke på.
Når det gjelder stjerner som vår sol, en gul dverg av G-typen, er slike værhendelser vanlige når de fortsatt er små. Imidlertid er det kjent at andre gule og oransje stjerner forblir aktive i milliarder av år og produserer stormer med energiske, ladede partikler. Og M-type (rød dverg) stjerner, den vanligste typen i universet, forblir aktive gjennom lang levetid, og med jevne mellomrom utsetter planetene sine for mini-fakler.
Når disse når en eksoplanett, reagerer de med atmosfæren og forårsaker den kjemiske dissosiasjonen av nitrogen (N²) og oksygen (O²) til enkeltatomer, og vanndamp til hydrogen og oksygen. De nedbrutte nitrogen- og oksygenatomer forårsaker da en kaskade av kjemiske reaksjoner som produserer hydroksyl (OH), mer molekylært oksygen (O) og nitrogenoksid (NO) - det forskere omtaler som "atmosfæriske fyrtårn".
Når stjernelys treffer en planetens atmosfære, absorberer disse fyrtårnsmolekylene energien og avgir infrarød stråling. Ved å undersøke de spesielle bølgelengdene til denne strålingen, er forskere i stand til å bestemme hvilke kjemiske elementer som er til stede. Signalstyrken til disse elementene er også en indikasjon på atmosfæretrykk. Samlet lar disse målingene forskere bestemme en atmosfære dens tetthet og sammensetning.
I flere tiår har astronomer også brukt en modell for å beregne hvordan ozon (O³) dannes i jordas atmosfære fra oksygen som er utsatt for solstråling. Ved å bruke samme modell - og sammenkoble den med romværshendelser som forventes fra kule, aktive stjerner - prøvde Airapetian og kollegene å beregne hvor mye nitrogenoksid og hydroksyl som ville danne seg i en jordlignende atmosfære og hvor mye ozon som ville bli ødelagt .
For å oppnå dette, konsulterte de data fra NASAs oppdrag fra Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), som har studert dannelsen av beacons i jordens atmosfære i mange år. Konkret brukte de data fra dens Sounding of the Atmosphere ved bruk av Broadband Emission Radiometry (SABER) instrument, som gjorde det mulig for dem å simulere hvordan infrarøde observasjoner av disse beacons kan vises i eksoplanet atmosfærer.
Som Martin Mlynczak, SABER-assosiert hovedetterforsker ved NASAs Langley Research Center og en medforfatter av papiret, indikerte:
Når vi tar det vi vet om infrarød stråling fra jordens atmosfære, er ideen å se på eksoplaneter og se hva slags signaler vi kan oppdage. Hvis vi finner eksoplanetsignaler i nesten samme andel som Jordens, kan vi si at planeten er en god kandidat for å være vertskap for livet. "
Det de fant var at frekvensen av intense stjernestormer var direkte relatert til styrken til varmesignalene som kommer fra de atmosfæriske fyrene. Jo flere stormer oppstår, desto flere skapes det beacon molekyler, og genererer et signal som er sterkt nok til å observeres fra Jorden med et romteleskop, og basert på bare to timers observasjonstid.
De fant også ut at denne typen metoder kan luke ut eksoplaneter som ikke har et jordlignende magnetfelt, som naturlig samvirker med ladede partikler fra solen. Tilstedeværelsen av et slikt felt er det som sikrer at en planetens atmosfære ikke blir frastjålet, og derfor er avgjørende for beboelighet. Som Airapetian forklarte:
”En planet trenger et magnetfelt som beskytter atmosfæren og beskytter planeten mot stjernestormer og stråling. Hvis stjernevindene ikke er så ekstreme at de komprimerer et eksoplanets magnetfelt nær overflaten, forhindrer magnetfeltet atmosfærisk flukt, så det er flere partikler i atmosfæren og et sterkere resulterende infrarødt signal. "
Denne nye modellen er viktig av flere grunner. På den ene siden viser det hvordan forskning som har muliggjort detaljerte studier av jordas atmosfære og hvordan den samhandler med romvær nå blir lagt ut mot studiet av eksoplaneter. Det er også spennende fordi det kan gi rom for nye studier av eksoplanettens levedyktighet rundt visse klasser av stjerner - alt fra mange typer gule og oransje stjerner til kjølige, røde dvergstjerner.
Røde dverger er den vanligste stjernetypen i universet, og står for 70% av stjernene i spiralgalakser og 90% i elliptiske galakser. Basert på nylige funn estimerer astronomer at røde dvergstjerner med stor sannsynlighet har systemer med steinete planeter. Forskerteamet forventer også at neste generasjons rominstrumenter som James Webb romteleskop vil øke sannsynligheten for å finne beboelige planeter ved bruk av denne modellen.
Som William Danchi, en god astrofysiker og medforfatter på studien, sa:
"Ny innsikt i potensialet for liv på eksoplaneter avhenger kritisk av tverrfaglig forskning der data, modeller og teknikker brukes fra NASA Goddards fire vitenskapelige divisjoner: heliofysikk, astrofysikk, planetarisk og jordvitenskapelig. Denne blandingen produserer unike og kraftige nye veier for eksoplanettforskning. ”
Inntil vi kan studere eksoplaneter direkte, er enhver utvikling som gjør biosignaturer mer synlig og lettere å oppdage utrolig verdifull. I de kommende årene håper Project Blue og Breakthrough Starshot å gjennomføre de første direkte studiene av Alpha Centauri-systemet. Men i mellomtiden er forbedrede modeller som lar oss kartlegge utallige andre stjerner for potensielt beboelige eksoplaneter, gylne!
Ikke bare vil de forbedre vår forståelse av hvor vanlige slike planeter er, de kan bare peke oss i retning av en eller flere Earth 2.0s!
