NASA: n ilmastointikeskuksen (NCCS) ytimessä, joka on osa NASA: n Goddard-avaruuslentokeskusta, on Discover-supertietokone, joka on 129 000 ytimen klusteri Linux-pohjaisia prosessoreita. Tämän supertietokoneen, joka pystyy suorittamaan 6,8 petaflops (6,8 biljoonaa) operaatiota sekunnissa, tehtävänä on ylläpitää hienostuneita ilmastomalleja ennustaakseen, miltä maan ilmasto näyttää tulevaisuudessa.
NCCS on kuitenkin myös alkanut omistaa osan Discoverin supertietokonevoimasta ennustaakseen, mitkä olosuhteet voivat olla millä tahansa yli 4000 planeetalla, jotka on havaittu aurinkokunnan ulkopuolella. Nämä simulaatiot eivät ole vain osoittaneet, että monet näistä planeetoista voisivat olla asuttavia, vaan ne ovat myös todiste siitä, että ”asettamiskykymme” käsitteemme voivat käyttää uutta ajattelua.
Huolimatta suunnilleen viime vuosikymmenen aikana tapahtuneista eksoplaneettojen löytöistä, tutkijoiden on edelleen pakko luottaa ilmastomalleihin määrittääkseen, mitkä niistä voisivat olla ”mahdollisesti asuttavat”. Nykyään näiden planeettojen tutkiminen avaruusaluksen avulla on täysin epäkäytännöllistä, koska siihen liittyy suuri etäisyys.
Kuten aiemmassa artikkelissa käsiteltiin, lähimpään tähtijärjestelmään (Alpha Centauri) pääsemiseksi nykyisillä menetelmillä ja tekniikalla kuluu 19 000 - 81 000 vuotta. Lisäksi eksoplaneettojen suora havainnointi on mahdollista vain harvoissa tapauksissa nykypäivän teleskoopeilla, joihin tyypillisesti liittyy massiiviset planeetat, jotka kiertävät tähtiään suurella etäisyydellä. Nämä planeetat ovat yleensä kaasu jättiläisiä, eivätkä siksi ole ehdokkaita asumiskelpoisuudelle.
Joka tapauksessa, tähtitieteilijät ovat havainneet, että kaikki aurinkokunnan ulkopuolella havaitut planeetat ovat luonteeltaan melko eklektisiä. Suurimmaksi osaksi tähän mennessä vahvistetut 4 108 eksoplaneettaa ovat olleet joko Neptunuksen kaltaisia kaasujättiläisiä (1375), Jupiterin kaltaisia kaasujätteitä (1293) tai Super-maapalloja (1273). Vain 161 eksoplaneettaa on ollut maanpäällisiä (eli kivisiä tai ”maapallon kaltaisia”) luonteeltaan, ne kaikki löytyivät M-tyypin (punainen kääpiö) tähdet.
Kuten Elisa Quintana - NASA: n Goddard-astrofysiikko, joka johti ryhmää, joka vastasi Kepler-186f: n, ensimmäisen maapallon planeetan asumiskelpoisella vyöhykkeellä (HZ), löytämisestä vuonna 2014 - selitti:
”Pitkäksi aikaa tutkijat olivat todella keskittyneet etsimään aurinko- ja maapallon kaltaisia järjestelmiä. Se on kaikki mitä tiesimme. Mutta huomasimme, että planeetoissa on koko tämä hullu monimuotoisuus. Löysimme planeettoja, jotka olivat niin pieniä kuin Kuu. Löysimme jättiläisiä planeettoja. Ja löysimme joitain, jotka kiertävät pieniä tähtiä, jättiläisiä ja useita tähtiä. ”
Punaisten kääpiöiden HZ: n sisällä kiertävien maanpäällisten planeettojen löytäminen aiheutti alun perin suurta jännitystä. Nämä tähdet eivät ole pelkästään yleisimpiä maailmankaikkeudessamme - niiden osuus on vain 85 prosenttia Linnunradan tähdistä -, mutta useiden on havaittu kiertävän tähtiä, jotka ovat lähellä aurinkokuntaa.
Tähän kuuluvat kolme planeettaa, jotka kiertävät TRAPPIST-1: n (39,46 valovuoden päässä) ja Proxima b: n, Maapallolle lähinnä olevan eksoplaneetan (4,24 valovuoden päässä) HZ: n sisällä. Valitettavasti viime vuosina on tehty lukuisia tutkimuksia, jotka ovat osoittaneet, että näillä planeetoilla olisi vaikea ylläpitää elinkelpoista ilmapiiriä ajan myötä.
Yksinkertaisesti sanottuna se, että ne ovat pienempiä ja viileämpiä, tarkoittaa, että punaisilla kääpiöillä on HZ: t, jotka ovat paljon lähempänä pintojaan. Tämä tarkoittaa, että jokainen punaisen kääpiön HZ: lla kiertävä planeetta on todennäköisesti vuorovesi-lukittu heidän kanssaan, mikä tarkoittaa sitä, että toinen puoli on jatkuvasti kohti tähtiä ja tähden lämmön, säteilyn ja aurinkotuulen vastaanottavassa päässä.
Voivatko nämä planeetat asua vai eivät, riippuu siis monista tekijöistä, kuten tiheän ilmakehän läsnäolosta, magnetosfäärin läsnäolosta ja oikeista kemiallisista määristä. Sen sijaan, että olisi mahdollista nähdä planeettoja suoraan ja varmistaa näiden ainesosien elämää (eli. Biosignaaleja) olemassa, tutkijat luottavat ilmastomalleihin avuksi etsiessään "mahdollisesti asuttavia" eksoplaneettoja.
NASA: n Jet-propulsiolaboratoriossa toimivan pääoplanetaattitutkijan Karl Stapelfeldtin mukaan kyky mallintaa ilmastoa muilla planeetoilla on ehdottoman välttämätöntä. avaruustutkimuksen tulevaisuuteen "Mallit tekevät konkreettisia, testattavissa olevia ennusteita siitä, mitä meidän pitäisi nähdä", hän sanoi. "Nämä ovat erittäin tärkeitä tulevien kaukoputkien suunnittelussa ja strategioiden tarkkailemisessa."
Yksinkertaisesti sanottuna, ilmastomallinnukseen sisältyy simulaation luominen siitä, millainen maan (tai toisen planeetan) ilmasto tulee olemaan erityisolosuhteiden ja / tai ympäristön muutoksen perusteella. Tämän työn teki vuosien ajan Anthony Del Genio, äskettäin eläkkeelle jäänyt planeetta-ilmastotieteilijä NASA: n Goddardin avarustutkimusinstituutissa. Uransa aikana Del Genio toteutti ilmastosimulaatioita, joihin osallistui Maapallo ja muut planeetat (mukaan lukien Proxima b).
Yhteenvetona voidaan todeta, että Proxima b on suunnilleen samankokoinen kuin Maa ja vähintään 1,3 kertaa massiivinen. Se kiertää tähtiään (Proxima Centauri) kerran 11,2 maapäivän välein ja 0,05 AU: n etäisyydellä (5% etäisyydestä maan ja auringon välillä). Tällä etäisyydellä planeetta todennäköisesti lukittuu tähtiinsa painovoiman kanssa, jolloin toinen puoli altistuu jatkuvasti tähtiä voimakkaalle säteilylle, kun taas toinen ala on jatkuvassa pimeydessä ja jäätymislämpötilassa.
Del Genion joukkue simuloi kuitenkin äskettäin Proxima b: n mahdollisia ilmasto-olosuhteita testatakseen, kuinka moni johtaisi lämpimään ja märkään ympäristöön, joka pystyy tukemaan elämää. Mielenkiintoista kyllä, nämä simulaatiot osoittivat, että Proxima b: n kaltaiset planeetat voisivat tosiasiassa olla asuttavia huolimatta vuorovesilukosta ja kaiken toisen säteilyn altistumisesta.
Näiden simulaatioiden suorittamiseksi Del Genion joukkue käytti Discover-supertietokonetta johtamaan itse kehittämänsä planetaarisimulaattorin - nimeltään ROCKE-3D. Tämä simulaattori perustuu versioon maapallon ilmastomallista, joka kehitettiin ensin 1970-luvulla ja jota ne päivitettiin, jotta se voisi simuloida muiden planeettojen ilmastoa, osittain niiden mahdollisten kiertoratojen ja ilmakehän koostumuksen perusteella.
Jokaisessa simulaatiossa Del Genion joukkue muutti Proxima b: n olosuhteita nähdäkseen, miten se vaikuttaa sen ilmastoon. Tähän sisältyy kasvihuonekaasujen tyyppien ja määrien säätäminen ilmakehässä, valtamerten syvyyden, koon ja suolapitoisuuden sekä maan ja veden suhteen säätäminen. Tästä lähtien he pystyivät näkemään, kuinka pilvet ja valtameret kiertävät ja kuinka planeetan auringon säteily vuorovaikutuksessa Proxima b: n ilmakehän ja pinnan kanssa.
He löysivät, että Proxima b: n hypoteettinen pilvikerros toimisi suojana, joka taipuisi auringon säteilyn pinnalta ja alentaisi lämpötilaa Proxima b: n auringonpuoleisella puolella. Tämä on johdonmukaista NASA Goddardin tutkijoiden, myyjien Exoplanet Environments Collaboration (SEEC), tutkimuksen kanssa, joka osoitti, kuinka Proxima b voisi muodostaa pilviä niin massiivisiksi, että ne peittäisivät koko taivaan.
Kuten Ravi Kopparapu, NASA: n Goddard-planeettatutkija, joka myös mallinee eksoplaneettojen mahdollisia ilmastoja, selitti sen:
”Jos planeetta lukitaan painovoiman avulla ja pyörii hitaasti akselillaan, tähden edessä muodostuu pilvipiiri, joka osoittaa aina sitä kohti. Tämä johtuu Coriolis-ilmiöksi kutsutusta voimasta, joka aiheuttaa kiertoilman paikassa, jossa tähti kuumentaa ilmakehää. Mallinnuksemme osoittaa, että Proxima b voisi näyttää tältä. ”
Tämä pilvipiiri merkitsisi valtameren kiertämisen ohella myös sitä, että lämmin ilma ja vesi pystyivät liikkumaan planeetan pimeälle puolelle saavuttaen siten lämmönsiirron ja tekemällä koko planeetan vieraanvaraisammaksi. "Joten et vain pidä yöpuolen ilmapiiriä jäätymästä, vaan luo yöpuolelle osia, jotka todella pitävät nestemäistä vettä pinnalla, vaikka nämä osat eivät näe valoa", sanoi Del Genio.
Lämmön kiertämisen ja ylläpitämisen lisäksi ilmakehän ja valtameren virtaukset vastaavat myös sellaisten kaasujen ja kemiallisten elementtien jakamisesta, jotka ovat välttämättömiä elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme - esim. happikaasu, hiilidioksidi, metaani jne. Näitä kutsutaan ”biosignaateiksi”, koska ne ovat joko välttämättömiä elämälle täällä maapallolla tai liittyvät biologisiin prosesseihin.
Avainsana on kuitenkin "sellaisena kuin tiedämme". Maa on tällä hetkellä ainoa tunnettu asuttava planeetta ja sen tukemat erilaiset elämänmuodot ovat ainoat tutut esimerkit. Sellaisena elämän etsiminen maapallon ulkopuolelle rajoittuu tällä hetkellä biosignaattien etsimiseen, jotka ovat välttämättömiä (ja liittyvät tunnettuihin) elämämuotoihin. Tätä kutsumme ”heikentyneeseen hedelmälähestymistapaan”.
Lisäksi Maa on kehittynyt huomattavasti muutaman viime miljardin vuoden aikana, samoin kuin elämämuodot, jotka ovat kutsuneet sitä kotiin. Kun tänään happea kaasu on välttämätöntä nisäkkäiden olentoille, se olisi ollut myrkyllistä fotosynteettisille bakteereille, jotka menestyivät pääosin hiilidioksidin ja typpikaasun ilmakehässä, joka oli olemassa maapalloissa vuosia sitten.
Joten vaikka tällainen mallintaminen ei voi sanoa varmasti, onko planeetta asuttu, se voi varmasti auttaa rajaamaan hakua osoittamalla, mitkä ehdokkaat lupaavat kohteita seurantahavainnoille. "Vaikka työmme ei voi kertoa tarkkailijoille, onko jokin planeetta asuttava vai ei, voimme kertoa heille, onko planeetta haju hyvien ehdokkaiden keskialueella etsimään edelleen", sanoi Del Genio.
Tästä on erityistä hyötyä tulevina vuosina, kun seuraavan sukupolven teleskoopit vievät avaruuteen. Näihin kuuluvat James Webbin avaruusteleskooppi, jonka on määrä käynnistää vuonna 2021, ja laaja-kenttäinen infrapuna-avaruusteleskooppi (WFIRST), joka käynnistyy vuonna 2023. Yhdessä maanpäällisten observatorioiden, kuten Erittäin suuren teleskoopin (ELT) kanssa, nämä välineiden avulla tutkijat voivat tarkkailla ensimmäistä kertaa suoraan pienempiä planeettoja.
Tähtien varjostimen kaltaiset koronografit tekevät myös suuren eron hukuttamalla valoa tähtiin, mikä muuten hämärtää valoa, joka heijastuu planeetan ilmakehästä. Nämä ja muut kehityssuuntaukset tarkoittavat, että tähtitieteilijät voivat tutkia myös kivisten eksoplaneettojen ilmapiiriä, mikä antaa heille mahdollisuuden lopulta varmuudella sanoa, mitkä planeetat ovat "mahdollisesti asutettavissa".
Tarkista tämä animaatio siitä, miltä Proxima b: n ilmasto voi näyttää, Del Genion tiimin ja NASA Goddardin avaruuslentokeskuksen kohteliasta:
