Når jeg jakter på potensielt beboelige eksoplaneter, er en av de viktigste tingene astronomer ser etter om hvorvidt eksoplanettkandidater går i bane i stjernens beboelige sone eller ikke. Dette er nødvendig for at flytende vann kan eksistere på en planetens overflate, som igjen er en forutsetning for livet slik vi kjenner det. I løpet av oppdagelsen av nye eksoplaneter har forskere imidlertid blitt klar over et ekstremt tilfelle kjent som "vannverdener".
Vannverdener er egentlig planeter som er opptil 50% vann i masse, noe som resulterer i overflatehav som kan være hundrevis av kilometer dyp. I følge en ny studie fra et team av astrofysikere fra Princeton, University of Michigan og Harvard, kan det hende at vannverdener ikke kan henge på vannet deres på veldig lenge. Disse funnene kan ha enorm betydning når det gjelder jakten på beboelige planeter i kosmoshalsen vår.
Denne siste studien, med tittelen “Dehydrering av vannverdener via atmosfæriske tap”, ble nylig vist i The Astrophysical Journal Letters. Laget av Chuanfei Dong fra Institutt for astrofysiske vitenskaper ved Princeton University, gjennomførte teamet datasimuleringer som tok hensyn til hva slags forhold vannverdener ville være underlagt.
Denne studien var i stor grad motivert av antall eksoplanettfunn som er gjort rundt lavmasse, M-type (rød dverg) stjernesystem de siste årene. Disse planetene har vist seg å være sammenlignbare i størrelse med Jorden - noe som indikerte at de sannsynligvis var landlige (dvs. steinete). I tillegg ble det funnet at mange av disse planetene - for eksempel Proxima b og tre planeter i TRAPPIST-1-systemet - var i bane rundt stjernene som er beboelige soner.
Påfølgende studier indikerte imidlertid at Proxima b og andre steinete planeter som kretser rundt røde dvergstjerner, faktisk kan være vannverdener. Dette var basert på masseestimater oppnådd ved astronomiske undersøkelser, og de innebygde forutsetningene om at slike planeter var steinete i naturen og ikke hadde massive atmosfærer. Samtidig er det produsert en rekke studier som har gitt tvil om hvorvidt disse planetene ville være i stand til å holde på vannet deres.
I utgangspunktet kommer det hele ned på stjernetypen og planetens omløpsparametere. Mens lange, røde dvergstjerner er kjent for å være varierende og ustabile sammenlignet med solen vår, noe som resulterer i periodiske oppblussinger som vil stripe en planetens atmosfære over tid. På toppen av det vil planeter som går i en beboelig sone i en rød dverg sannsynligvis være tidløst låst, noe som betyr at den ene siden av planeten stadig vil bli utsatt for stjernens stråling.
På grunn av dette er forskere fokusert på å bestemme hvor godt eksoplaneter i forskjellige typer stjernesystemer kan holde fast i atmosfæren. Som Dr. Dong fortalte Space Magazine via e-post:
”Det er rettferdig å si at tilstedeværelsen av en atmosfære blir oppfattet som et av kravene til en planets levedyktighet. Når det er sagt, er begrepet beboelighet et sammensatt med mange faktorer involvert. Dermed vil en atmosfære i seg selv ikke være tilstrekkelig for å garantere levedyktighet, men den kan betraktes som en viktig ingrediens for at en planet kan være beboelig. ”
For å teste om en vannverden ville være i stand til å holde fast i atmosfæren, gjennomførte teamet datasimuleringer som tok hensyn til en rekke mulige scenarier. Disse inkluderte effektene av stjernemagnetiske felt, utspring av koronale masser og atmosfærisk ionisering og utstøting for forskjellige typer stjerner - inkludert stjerner av G-typen (som vår sol) og stjerner av M-typen (som Proxima Centauri og TRAPPIST-1).
Med disse effektene redegjort for, avledet Dr. Dong og hans kolleger en omfattende modell som simulerte hvor lenge eksoplanet-atmosfærene ville vare. Som han forklarte det:
”Vi utviklet en ny multi-fluid magnetohydrodynamisk modell. Modellen simulerte både ionosfæren og magnetosfæren som helhet. På grunn av eksistensen av et dipolmagnetisk felt, kan ikke stjernevinden feie vekk atmosfæren direkte (som Mars på grunn av fraværet av et globalt dipolmagnetisk felt), i stedet ble atmosfæret ionetapet forårsaket av den polare vinden.
“Elektronene er mindre massive enn foreldreionene, og som et resultat blir de lettere akselerert opp til og utenfor rømningshastigheten til planeten. Denne ladningsseparasjonen mellom de rømming, lavmasseelektronene og betydelig tyngre, positivt ladede ioner setter opp et elektrisk polarisasjonsfelt. Det elektriske feltet virker på sin side for å trekke de positivt ladede ionene bak de rømrende elektronene, ut av atmosfæren i polarhettene. ”
Det de fant var at datamaskinsimuleringene var i samsvar med det nåværende Earth-Sun-systemet. Imidlertid, i noen ekstreme muligheter - som eksoplaneter rundt stjerner av M-type - er situasjonen imidlertid veldig forskjellig, og rømningsratene kan være tusen ganger større eller mer. Resultatet betyr at selv en vannverden, hvis den går i bane rundt en rød dvergstjerne, kan miste atmosfæren etter omtrent et gigayear (Gyr), en milliard år.
Tatt i betraktning at livet som vi kjente det tok rundt 4,5 milliarder år å utvikle seg, er en milliard år et relativt kort vindu. Faktisk, som Dr. Dong forklarte, indikerer disse resultatene at planeter som går i bane rundt M-typen stjerner vil være hardt presset for å utvikle liv:
Resultatene våre indikerer at havplanetene (som går i bane rundt en sollignende stjerne) vil beholde atmosfærene mye lenger enn Gyr-tidsskalaen, da ionefluksningshastighetene er altfor lave, og derfor tillater det en lengre levetid å komme fra disse planetene. og utvikle seg med tanke på kompleksitet. I kontrast til at eksoplaneter som går i bane rundt M-dverger, kan de få havene deres uttømt over Gyr-tidsskalaen på grunn av de mer intense partikkel- og strålingsmiljøene som exoplaneter opplever i nær beboelige soner. Hvis atmosfæren skulle tømmes over tidsskalaen mindre enn Gyr, kan dette vise seg å være problematisk for livets opprinnelse (abiogenese) på planeten. "
Nok en gang setter disse resultatene tvil om den potensielle levedyktigheten til røde dvergstjernersystemer. Tidligere har forskere indikert at levetiden til røde dvergstjerner, som kan forbli i hovedsekvensen i opptil 10 billioner år eller lenger, gjør dem til den beste kandidaten for å finne beboelige eksoplaneter. Imidlertid synes stabiliteten til disse stjernene og måten de sannsynligvis vil stripe planetene i atmosfæren på, noe annet.
Studier som denne er derfor svært betydningsfulle ved at de hjelper til med å adressere hvor lenge en potensielt beboelig planet rundt en rød dvergstjerne kan forbli potensiell beboelig. Dong indikerte:
“Gitt viktigheten av atmosfærisk tap på planetarisk brukbarhet, har det vært stor interesse for å bruke teleskoper som det kommende James Webb-romteleskopet (JWST) for å avgjøre om disse planetene har atmosfærer, og i så fall hvordan deres sammensetning er . Det forventes at JWST skal være i stand til å karakterisere disse atmosfærene (hvis de er til stede), men å kvantifisere rømningsgraden nøyaktig krever en mye høyere grad av presisjon og kan ikke være gjennomførbar i nær fremtid. "
Studien er også viktig for vår forståelse av solsystemet og dens utvikling. På en gang har forskere våget seg at både Jorden og Venus kan ha vært vannverdener. Hvordan de gjorde overgangen fra å være veldig vassen til det de er i dag - for Venus, tørr og helvete; og når det gjelder Jorden, å ha flere kontinenter - er et helt viktig spørsmål.
I fremtiden forventes mer detaljerte undersøkelser som kan bidra til å belyse disse konkurrerende teoriene. Når James Webb-romteleskopet (JWST) blir distribuert våren 2018, vil det bruke sine kraftige infrarøde evner til å studere planeter rundt røde dverger i nærheten, Proxima b er en av dem. Det vi lærer om dette og andre fjerntliggende exoplaneter vil gå langt i retning av å informere om vår forståelse av hvordan vårt eget solsystem også utviklet seg.
