Jotta planeettaa voidaan pitää asuttavana, siinä on oltava nestemäistä vettä. Solut, elämän pienin yksikkö, tarvitsevat vettä tehtäviensä suorittamiseen. Jotta nestemäinen vesi olisi olemassa, planeetan lämpötilan on oltava oikea. Entä planeetan koko?
Ilman riittävää massaa planeetalla ei ole tarpeeksi painovoimaa pitämään vettä. Uudella tutkimuksella yritetään ymmärtää, kuinka koko vaikuttaa planeetan kykyyn pitää kiinni vedestään ja sen seurauksena asutettavuuteen.
Kysymys siitä, mikä voisi tehdä planeetasta asutettavan, on jatkuva keskustelu. Ei vain eksoplaneetoille, mutta joillekin oman aurinkokunnan tulevaisuuden kuista. Tutkijoilla on melko hyvä idea, kuinka paljon energiaa planeetta tarvitsee tähdestään saadakseen nestemäistä vettä. Se on johtanut suosittuun käsitykseen "Goldilocks-vyöhyke" tai ympäröivä asuttava alue, lähellä oleva alue, joka ei ole liian lähellä tai liian kaukana tähdestä, jotta nestemäinen vesi pysyisi planeetalla.
Kun etsitään eksoplaneettoja asumiskelpoisilta vyöhykkeiltä, ja kun saamme parempia kaukoputkia ja tekniikoita eksoplaneettojen tutkimiseksi tarkemmin, tutkijat tarvitsevat enemmän rajoituksia siihen, mihin planeettoihin viettää tarkkailevia resursseja. Kuten tämä paperi osoittaa, planeetan massa voi olla hyödyllinen suodatin.
Uusi paperi nimeltään ”Ilmakehän evoluutio matalapainoisilla vesimaailmilla”. Se on julkaistu The Astrophysical Journal -lehdessä. Pääkirjailija on Constantin W. Arnscheidt, MIT: n opiskelija.
Jotta nestemäinen vesi pysyisi pinnallaan ja ilmakehällä, eksoplaneetalla tai eksomoonilla on oltava riittävä massa, muuten vesi ja ilmapiiri vain ajautuvat avaruuteen. Ja sen on pidettävä vettä riittävän kauan elämän ilmestymiseen. Tähtitieteilijät käyttävät miljardin vuoden pallokenttää, jotta se tapahtuisi.
"Kun ihmiset ajattelevat asutettavan alueen sisä- ja ulkoreunoja, he ajattelevat sitä vain spatiaalisesti, mikä tarkoittaa sitä, kuinka lähellä planeetta on tähtiä", sanoi lehden ensimmäinen kirjailija Constantin Arnscheidt. "Mutta tosiasiassa, asumiskelpoisuuteen on monia muita muuttujia, mukaan lukien massa. Asettamiskelpoisuuden alarajan asettaminen planeetan koon suhteen antaa meille tärkeän rajoituksen meneillään olevassa asumiskelpoisten eksoplaneettojen ja eksomonien metsästyksessä. "
Asutettavan alueen koko ja alue riippuvat tähdestä. Pienempi, vähemmän energinen tähti kuin punainen kääpiö luo asutettavan alueen lähempänä itseään kuin suurempi tähti kuin meidän aurinko. Tämä ymmärretään hyvin. Jos planeetta on liian kaukana tähdestä, vesi jäätyy. Liian lähellä, ja karkaava kasvihuoneilmiö tapahtuu, ja vesi muuttuu höyryksi, ja voi kiehua pois avaruuteen.
Mutta pienille, pienemmän massan planeetoille on tapahtumassa enemmän. Ne voivat kyetä vastustamaan karkaistun kasvihuoneilmiön vaikutuksia.
Kun pienemmän massan planeetta lämpenee, ilmapiiri laajenee. Se suurenee suhteessa ympäröivän planeetan kokoon. Tällä on kaksi vaikutusta: kasvanut pintakoko tarkoittaa, että ilmapiiri voi absorboida enemmän energiaa kuin ennen, ja se voi myös säteillä enemmän energiaa kuin ennen.
Tämän kokonaistuloksena tutkijoiden mukaan on, että laajentunut ilmapiiri estää karkaistun kasvihuoneilmiön ja ne voivat pitää pintavesinsä pintaansa. Tämä tarkoittaa, että ne voivat olla lähempänä tähtiä menettämättä vettä, laajentaen siten Goldilocks-vyöhykettä pienemmille eksoplaneetoille.
Tietenkin on raja. Jos pienipainoinen planeetta on liian pieni, siinä ei ole tarpeeksi painovoimaa, ja ilmapiiri poistetaan ja vesi joko erotetaan sen mukana tai jäätyy pinnalle. Tämä tarkoittaa, että elämännäkymät ovat huonot. Tutkijoiden mukaan planeetan asuttamiselle on kriittinen alaraja. Tämä tarkoittaa, että paitsi että tähtiä lähellä on kaista, joka määrittelee planeetan asutettavuuden, myös kokorajoitus.
Yksinkertaisesti sanottuna, planeetta voi olla liian pieni asuttamiseen, vaikka se olisi Goldilocks-alueella.
Arnscheidtin ja muiden tutkimuksen kirjoittajien mukaan kriittinen koko on 2,7 prosenttia maan massasta. He sanovat, että mikä tahansa pienempi, ja planeetta ei yksinkertaisesti pysty pitämään ilmakehään ja vettä riittävän kauan elämän ilmestymiseen. Kontekstin mukaan Kuu on 1,2 prosenttia maan massasta ja elohopea on 5,53 prosenttia.
Tutkijat käyttävät esimerkkejä komeetan kaltaisista planeetoista. Komeeteilla on paljon vettä, mikä sublimoituu, kun he saapuvat lähelle aurinkoa. Mutta heiltä puuttuu vaadittu massa, jotta ne pystyvät pitämään tuon höyryn, eivätkä he voi koskaan muodostaa ilmapiiriä. Vesi katoaa avaruuteen. Joten liian pieni planeetta, vaikka siinä olisi paljon vettä, ei koskaan tarttuisi siihen.
Tutkijat käyttivät malleja estimoidakseen pienimassan planeetan asumisvyöhykkeen kahden erityyppisen tähden ympärillä: M-tyypin tai punaisen kääpiötähteen ja A-tyyppisen G-tyyppisen tähden.
He ovat saattaneet myös ratkaista toisen pitkään joutuneen kysymyksen asettavuudesta omassa aurinkokunnassamme. Jupiterin kuut Ganymede, Callisto ja Europa ovat kaikki runsaasti nestemäistä vettä, loukussa jääkerrosten alla. Tähtitieteilijät ovat pohtineet, olisiko he asutettavissa, kun aurinko säteilee enemmän energiaa tähtitaivaan tulevaisuuden pisteessä. Mutta kirjoittajien mukaan heiltä puuttuu massa pitämään vettä kiinni, vaikka heidätkin muuttuisi tarpeeksi lämpimiksi. Ganymede on lähellä, 2,5-prosenttisesti maan massaa, mutta se on tarpeeksi pieni ollakseen komeetan kaltainen ja menettää kaiken vetensä avaruuteen.
"Matalamassaiset vesimaailmat ovat kiehtova mahdollisuus elämän etsinnässä, ja tämä artikkeli osoittaa, kuinka erilaisia heidän käyttäytymistään todennäköisesti verrataan maapallon kaltaisten planeettojen käyttäytymiseen", kertoi Robin Wordsworth, Ympäristötieteiden ja tekniikan apulaisprofessori. SEAS ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. "Kun havainnot tämän luokan esineistä ovat mahdollisia, on jännittävää yrittää testata nämä ennusteet suoraan."
Tutkijat tekivät työssään joitain välttämättömiä oletuksia. He olettivat, että heidän pienimassalisen maailman ilmapiiri oli puhdasta vesihöyryä. He olettivat myös, että vesi oli kiinteä 40% planeetan massasta. He jättivät huomiotta myös tietyt muut tekijät, kuten hiilidioksidipyöräily, pilvisuojus ja valtameren kemia. Työn tässä vaiheessa on yksinkertaisesti liian monia muuttujia mallinnusta varten.
Kirjailijat käsittelevät myös ajatusta asuttavista eksomooneista kuin eksoplaneetoista. On ajateltavissa, että muissa aurinkojärjestelmissä kuut saattavat olla todennäköisemmin asuttavia kuin planeetat. Tällöin muut tekijät, kuten vuorovesivoimat, ovat tärkeitä. Se voi olla erityisen totta M-tyypin tähtijen tai punaisten kääpiöiden ympärillä. Tämä johtuu siitä, että näiden matalan energian tähtien ympärillä oleva ympäröivän asumisalue on jo paljon lähempänä tähtiä kuin Auringon kaltaisen G-tyypin tähden ympärillä. Exomoonin, sen planeetan ja tähden yhdistetyt gravitaatiovoimat saattavat kokonaan poistaa asettavuuden.
He tunnustavat myös joukon muita asioita, jotka vaikuttavat asumiskelpoisuuteen. Esimerkiksi, vaikka Ganymeden kaltaiset kuistot saattavat olla liian pieniä ollakseen asettamiskelpoisia mallissaan, he saattavat hyvinkin elää maan alla olevissa valtamereissä, joissa paksu jääkerros estää vettä pääsemästä pois.
Asumiskelpoisuuden määrittämisessä on vielä paljon tehtävää. Kuten kirjoittajat sanovat paperissaan, "Jatkotyössä voitaisiin harkita monimutkaisempia malleja hydrodynaamisesta poistumisesta." Eksoplaneetoissa on enemmän erilaisia ja monimutkaisia kuin me tällä hetkellä tiedämme, mutta tämä tutkimus alkaa käsitellä joitain niistä.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Goldilocks-vyöhyke planeettokokoon
- Tutkimuspaperi: Ilmakehän kehitys matalapainoisilla vesimaailmilla
- Space Magazine: Mitkä asuttavat alueet ovat parasta todellisuudessa etsiä elämää?
