For å bli ansett som beboelig, trenger en planet å ha flytende vann. Celler, den minste livet i livet, trenger vann for å utføre sine funksjoner. For at flytende vann skal eksistere, må temperaturen på planeten være riktig. Men hva med størrelsen på planeten?
Uten tilstrekkelig masse vil en planet ikke ha nok tyngdekraft til å holde på vannet sitt. En ny studie prøver å forstå hvordan størrelse påvirker en planets evne til å holde på vannet sitt, og som et resultat dets beboelighet.
Spørsmålet om hva som kan gjøre en planet beboelig er en pågående debatt. Ikke bare for eksoplaneter, men for noen av månene i vårt eget solsystemes fremtid. Forskere har en ganske god ide hvor mye energi en planet trenger for å motta fra stjernen sin for å opprettholde flytende vann. Det har gitt opphav til den populære forestillingen om "Goldilocks Zone" eller den omringende beboelige sonen, et nærhetsområde som verken er for nær eller for langt fra en stjerne til at flytende vann kan vedvare på en planet.
Med jakten på eksoplaneter i beboelige soner som går opp, og når vi får bedre teleskoper og teknikker for å studere eksoplaneter mer detaljert, trenger forskere flere begrensninger på hvilke planeter de skal bruke på å observere ressurser på. Som dette papiret viser, kan en planetmasse være et nyttig filter.
Det nye papiret har tittelen “Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds.” Den er publisert i The Astrophysical Journal. Hovedforfatteren er Constantin W. Arnscheidt, gradstudent ved MIT.
For å opprettholde flytende vann på overflaten og en atmosfære, må en exoplanet eller en exomoon ha nok masse, ellers vil vannet og atmosfæren bare renne ut i rommet. Og den må holde på vannet lenge nok til at livet kan dukke opp. Astronomer bruker en ballpark-figur på en milliard år for at det skal skje.
"Når folk tenker på de indre og ytre kanter av den beboelige sonen, har de en tendens til å bare tenke på det romlig, noe som betyr hvor nær planeten er til stjernen," sa Constantin Arnscheidt, første forfatter av papiret. ”Men faktisk er det mange andre variabler til habitabilitet, inkludert masse. Å sette en nedre grense for beboelighet når det gjelder planetstørrelse gir oss en viktig begrensning i vår pågående jakt på beboelige eksoplaneter og eksomoner. ”
Størrelsen og rekkevidden for den beboelige sonen avhenger av stjernen. En mindre, mindre energisk stjerne som en rød dverg skaper en beboelig sone nærmere seg selv enn en større stjerne som vår sol. Dette er godt forstått. Hvis en planet er for langt fra stjernen, fryser vannet. For nær, og den løpende drivhuseffekten skjer, og vannet blir til damp og kan koke bort i verdensrommet.
Men for små planter med lavere masse er det mer som skjer. De kan være i stand til å motstå den løpende drivhuseffekten.
Når en planet med lavere masse varmer, utvides atmosfæren. Den blir større i forhold til størrelsen på planeten den omgir. Dette har to effekter: den økte overflatestørrelsen betyr at atmosfæren kan absorbere mer energi enn den pleide, og at den også kan utstråle mer energi enn den pleide.
Det samlede resultatet av dette er ifølge forskerne at den utvidede atmosfæren stopper den løpende drivhuseffekten, og de kan opprettholde flytende overflatevann. Dette betyr at de kan være nærmere stjernen sin uten å miste vannet, og dermed utvide Goldilocks-sonen for mindre eksoplaneter.
Det er en grense selvfølgelig. Hvis en planet med lav masse er for liten, vil den ikke ha nok tyngdekraft, og atmosfæren vil bli strippet bort, og vannet vil enten bli strippet bort med det, eller frosset på overflaten. Det betyr at utsiktene for livet er svake. Forskerne sier at det er en kritisk nedre grense for at en planet kan være beboelig. Det betyr at det ikke bare er et bånd med nærhet til stjernen som bestemmer en planets levedyktighet, det er en størrelsesgrense.
Enkelt sagt kan en planet være for liten til å være beboelig, selv om den er i Goldilocks-sonen.
Den kritiske størrelsen er ifølge Arnscheidt og de andre forfatterne av studien 2,7 prosent jordens masse. De sier at noe mindre enn det, og planeten rett og slett ikke vil være i stand til å holde på atmosfæren og vannet lenge nok til at livet kan vises. For kontekst er månen 1,2 prosent av jordas masse, og kvikksølv er 5,53 prosent.
Forskerne bruker kometlignende planeter som eksempel. Kometer har mye vann, som er sublimert når de kommer i nærheten av sola. Men de mangler den nødvendige massen for å holde på den dampen, og de kan aldri danne en atmosfære. Vannet går tapt til verdensrommet. Så en planet som var for liten, selv om den hadde mye vann, ville aldri holde på den.
Forskerne brukte modeller for å estimere den lave massen planetens beboelige sone rundt to forskjellige typer stjerner: en M-type, eller rød dvergstjerne, og en G-type stjerne som vår sol.
De kan også ha løst et annet lenge spørsmål om brukbarhet i vårt eget solsystem. Jupiters måner Ganymede, Callisto og Europa har alle rikelig med flytende vann, fanget under islag. Astronomer har lurt på om de ville være beboelige når solen stråler mer energi på et tidspunkt i sin fremtidige fremtid. Men i følge forfatternes arbeid, mangler de masse til å holde på det vannet, selv om de ble varme nok. Ganymede kommer nær, med 2,5% jordmasse, men den er liten nok til å være "kometlignende" og miste alt vannet sitt til verdensrommet.
"Vannverdener med lav masse er en fascinerende mulighet i jakten på liv, og denne artikkelen viser hvor forskjellig deres oppførsel sannsynligvis vil bli sammenlignet med den for jordlignende planeter," sa Robin Wordsworth, førsteamanuensis i miljøvitenskap og teknikk ved SEAS og seniorforfatter av studien. "Når observasjoner for denne klassen av objekter blir mulig, vil det være spennende å prøve å teste disse spådommene direkte."
Forskerne gjorde noen nødvendige forutsetninger i arbeidet sitt. De antok at atmosfæren i deres lavmassede verdener var ren vanndamp. De antok også at vannet var fast på 40% av planetens masse. De ignorerte også visse andre faktorer, som CO2-sykling, skydekke og havkjemi. Det er rett og slett for mange variabler å modellere i dette stadiet av arbeidet sitt.
Forfatterne tar også opp ideen om beboelige eksomoner i stedet for eksoplaneter. Det kan tenkes at i andre solsystemer er det mer sannsynlig at måner er beboelige enn planeter. I så fall kommer andre faktorer inn, som tidevannskrefter. Det kan være spesielt sant rundt stjerner av M-type, eller røde dverger. Det er fordi den omringende beboelige sonen rundt disse lavenergistjernene allerede er mye nærmere stjernen enn rundt en G-type stjerne som vår sol. De kombinerte gravitasjonskreftene til Exomoon, dens planet og stjernen kan eliminere bebobarheten helt.
De erkjenner også noen av de mange andre faktorene som har innflytelse på brukbarheten. Selv om måner som Ganymede kan være for små til å være beboelige i sin modell, kan de for eksempel være livet i havene deres under overflaten, der vannet hindres i å slippe ut av et tykt islag.
Det er mye mer arbeid som må gjøres når det gjelder å bestemme beboelighet. Som forfatterne sier i sin artikkel, "Videre arbeid kan vurdere mer kompliserte modeller for hydrodynamisk flukt." Det er mer variasjon og kompleksitet i eksoplaneter enn vi vet akkurat nå, men denne studien begynner å ta opp noe av det.
Mer:
- Pressemelding: A Goldilocks Zone for Planet Size
- Research Paper: Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds
- Space Magazine: Hvilke vanlige soner er de beste for å faktisk søke etter livet?
