Når vi ser på fremtiden, har NASA og andre romfartsbyråer store forhåpninger for feltet forskning om utenom solenergi. I løpet av det siste tiåret har antallet kjente eksoplaneter nådd bare sjenert på 4000, og mange flere forventes å bli funnet når neste generasjons teleskoper tas i bruk. Og med så mange eksoplaneter å studere, har forskningsmål sakte forskjøvet seg fra oppdagelsesprosessen og mot karakterisering.
Dessverre er forskere fortsatt plaget av det faktum at det vi anser som en "beboelig sone" er gjenstand for mange forutsetninger. For å ta opp dette publiserte et internasjonalt team av forskere nylig en artikkel der de indikerte hvordan fremtidige eksoplanettundersøkelser kan se utover jordanalogiske eksempler som indikasjoner på brukbarhet og ta i bruk en mer omfattende tilnærming.
Oppgaven, med tittelen “Habitable Zone predictions and how to test them”, dukket nylig opp på nettet og ble sendt inn som en hvitbok til Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Teamet bak det ble ledet av Ramses M. Ramirez, en forsker med Earth-Life Science Institute (ELSI) og Space Science Institute (SSI), som fikk selskap av medforfattere og medunderskrivere fra 23 universiteter og institusjoner.
Hensikten med tiårsundersøkelsen er å vurdere tidligere gjort fremskritt innen ulike forskningsfelt og å sette prioriteringer for det kommende tiåret. Som sådan gir undersøkelsen avgjørende veiledning til NASA, National Space Foundation (NSF) og Department of Energy når de planlegger målene for astronomi og astrofysikk for fremtiden.
For tiden fokuserer mange av disse målene på studiet av eksoplaneter, som vil dra nytte av de kommende årene fra utplasseringen av neste generasjons teleskoper som James Webb romteleskop (JWST) og Infrarødt romteleskop med bred felt (WFIRST), så vel som bakkebaserte observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope og Giant Magellan Telescope (GMT).
En av de overordnede prioriteringene ved eksoplanettforskning er på jakt etter planeter der utenomjordisk liv kan eksistere. I denne forbindelse utpeker forskere planeter som ”potensielt beboelige” (og derfor verdige oppfølgingsobservasjoner) basert på om de går i bane rundt stjernenes beboelige soner eller ikke. Av denne grunn er det forsvarlig å se på hva som går ut på å definere en HZ.
Som Ramirez og kollegene hans antydet i papiret sitt, er et av de viktigste problemene med eksoplanettens levedyktighet nivået av forutsetninger som blir gjort. For å bryte det, antar de fleste definisjoner av HZs tilstedeværelsen av vann på overflaten, siden dette er det eneste løsningsmidlet som for øyeblikket er kjent for å være vertskapsliv. Disse samme definisjonene antar at livet krever en steinete planet med tektonisk aktivitet som kretser rundt en passende lys og varm stjerne.
Nyere forskning har imidlertid gitt tvil om mange av disse forutsetningene. Dette inkluderer studier som indikerer hvordan atmosfærisk oksygen ikke automatisk betyr tilstedeværelse av liv - spesielt hvis oksygenet er et resultat av kjemisk dissosiasjon og ikke fotosyntese. Annen forskning har vist hvordan tilstedeværelsen av oksygengass i de tidlige periodene av en planets evolusjon kan forhindre økning av grunnleggende livsformer.
Det har også vært nyere studier som har vist hvordan platetektonikk kanskje ikke er nødvendig for at livet skal dukke opp, og at såkalte “vannverdener” kanskje ikke er i stand til å støtte livet (men fremdeles kunne). På toppen av alt dette har du teoretisk arbeid som antyder at livet kan utvikle seg i hav av metan eller ammoniakk på andre himmellegemer.
Det viktigste eksemplet her er Saturns måne Titan, som kan skryte av et miljø som er rikt på prebiotiske forhold og organisk kjemi - som noen forskere tror kan støtte eksotiske livsformer. Til slutt søker forskere etter kjente biomarkører som vann og karbondioksid fordi de er assosiert med liv på jorden, det eneste kjente eksemplet på en livbærende planet.
Men som Ramirez forklarte til Space Magazine via e-post, dette tankesettet (hvor jordanaloger anses som egnet for livet) er fortsatt full av problemer:
"Den klassiske definisjonen av beboelig sone er mangelfull fordi konstruksjonen hovedsakelig er basert på jord-sentriske klimatologiske argumenter som kanskje eller ikke kan brukes på andre potensielt beboelige planeter. For eksempel forutsetter det at multibar CO2-atmosfærer kan støttes på potensielt beboelige planeter nær den beboelige sonen ytterkant. Imidlertid er så høye CO2-nivåer giftige for jordplanter og dyr, og dermed uten en bedre forståelse av livets grenser, vet vi ikke hvor rimelig denne antakelsen er.
"Den klassiske HZ antar også at CO2 og H2O er de viktigste klimagassene som opprettholder potensielt beboelige planeter, men flere studier de siste årene har utviklet alternative HZ-definisjoner som bruker forskjellige kombinasjoner av klimagasser, inkludert de som, selv om de er relativt små på jorden, kan være viktig for andre potensielt beboelige planeter. ”
I en tidligere studie viste Dr. Ramirez hvordan tilstedeværelsen av metan og hydrogengass også kan forårsake
Heldigvis vil disse definisjonene ha muligheten til å bli testet, takket være distribusjonen av neste generasjons teleskoper. Ikke bare vil forskere kunne teste noen av de langvarige forutsetningene som HZ-er er basert på,
"Neste generasjons teleskop kunne teste den beboelige sonen ved å søke etter en forutsagt økning i atmosfærisk CO2-trykk jo lenger unna som potensielt beboelige planeter er fra stjernene deres. Dette vil også teste om karbonatsilikatsyklusen, som er det mange mener har holdt planeten vår beboelig i store deler av sin historie, er en universell prosess eller ikke. "
I denne prosessen konverteres silikatbergarter til karbonbergarter ved forvitring og erosjon, mens karbonbergarter blir omdannet til silikatbergarter gjennom vulkansk og geologisk aktivitet. Denne syklusen sikrer langsiktig stabilitet i jordens atmosfære ved å holde CO2-nivåene konsistente over tid. Den illustrerer også hvordan vann og platetektonikk er essensielt for livet slik vi kjenner det.
Imidlertid kan denne typen syklus bare finnes på planeter som har land, som effektivt utelukker "vannverdener". Disse eksoplanetene - som kan være vanlige rundt stjerner av M-type (rød dverg) - antas å være opptil 50% vann i masse. Med denne vannmengden på overflatene vil sannsynligvis “vannverdener” ha tette lag med is ved kjerne-mantelgrensen, og dermed forhindre hydrotermisk aktivitet.
Men som allerede nevnt, er det noe forskning som indikerer at disse planetene fremdeles kan være beboelige. Mens overflod av vann ville forhindre absorpsjon av karbondioksid av bergarter og undertrykke vulkansk aktivitet, har simuleringer vist at disse planetene fortsatt kan sykle karbon mellom atmosfæren og havet, og dermed holde klimaet stabilt.
Hvis disse typer havverdener eksisterer, sier Dr. Ramirez, kunne forskere oppdage dem gjennom deres lavere planetære tetthet og høyt trykkatmosfære. Og så er det saken om forskjellige klimagasser, som ikke alltid er en indikasjon på varmere planetariske atmosfærer, avhengig av stjernetype.
"Selv om metan varmer planeten vår, fant vi ut at metan faktisk kjøler overflatene til planlagte soneplaneter som kretser rundt røde dvergstjerner!" han sa. "Hvis det er tilfelle, kan høye metanmengder i atmosfæren på slike planeter bety frosne forhold som kanskje er uegnet for livstid. Vi vil kunne observere dette i planetarspektre. ”
Når vi snakker om røde dverger, raser debatten om planeter som går i bane rundt disse stjernene vil være i stand til å opprettholde en atmosfære. I løpet av de siste årene er det gjort flere funn som antyder at steinete, tidløst låste planeter er vanlige rundt røde dvergstjerner, og at de går i bane rundt stjernenes respektive HZ-er.
Påfølgende forskning har imidlertid forsterket teorien om at ustabiliteten til røde dvergstjerner sannsynligvis vil resultere i solfakkel som ville fjerne enhver planet som kretser rundt atmosfæren. Til slutt reiser Ramirez og kollegene muligheten for at det kan bli funnet beboelige planeter i bane rundt det som (inntil nylig) har blitt ansett som en usannsynlig kandidat.
Dette ville være hovedsekvenser av type A-stjerner - som Sirius A, Altair og Vega - som ble antatt å være for lyse og varme til å være egnet til brukbarhet. Sa Dr. Ramirez om denne muligheten:
”Jeg er også interessert i å finne ut om det eksisterer liv på planlagte soneplaneter som går i bane rundt A-stjerner. Det har ikke blitt gjort mange publiserte vurderinger av A-stjerners planetariske brukbarhet, men noen neste generasjons arkitekturer planlegger å observere dem. Vi vil snart lære mer om A-stjerners egnethet for livet. ”
Til syvende og sist vil studier som denne, som setter spørsmålstegn ved definisjonen av ”beboelig sone”, være nyttige når neste generasjons oppdrag starter vitenskapelige operasjoner. Med sine instrumenter med høyere oppløsning og mer følsomme vil de kunne teste og validere mange av spådommene som er gjort av forskere.
Disse testene vil også bekrefte om liv bare kunne eksistere der ute, bare vi kjenner det, eller også utover parametrene som vi anser for å være ”jordlignende”. Men som Ramirez la til, viser studien som han og kollegene gjennomførte også hvor viktig det er at vi fortsetter å investere i avansert teleskopteknologi:
“Vårt papir understreker også viktigheten av en fortsatt investering i avansert teleskopteknologi. Vi må kunne finne og karakterisere så mange beboelige soneplanter som mulig hvis vi ønsker å maksimere sjansene våre for å finne livet. Imidlertid håper jeg også at papiret vårt inspirerer folk til å drømme utover bare de neste 10 årene. Jeg tror virkelig at det til slutt vil være oppdrag som vil være langt mer dyktige enn noe vi for tiden utformer. Vår nåværende innsats er bare begynnelsen på en mye mer engasjert innsats for arten vår. ”
Møtet for Decadal Survey i 2020 blir arrangert i fellesskap av Board of Physics and Astronomy og Space Studies Board of the National Academy of Sciences, og vil bli fulgt av en rapport som skal utgis omtrent to år fra nå.
