Metsästettäessä potentiaalisesti asuttavia eksoplaneetteja yksi tärkeimmistä astronomien etsimistä on se, kiertävätkö eksoplaneetan ehdokkaat tähtien asuttavalla alueella. Tämä on välttämätöntä, jotta nestemäistä vettä voi olla planeetan pinnalla, mikä puolestaan on edellytys elämälle sellaisena kuin me sen tiedämme. Tutkiessaan uusia eksoplaneettoja tutkijat ovat kuitenkin tietoisia äärimmäisestä tapauksesta, jota kutsutaan ”vesimaailmiksi”.
Vesimaailmat ovat pääosin planeettoja, joiden massa on jopa 50% vedestä, mistä seuraa pintameriä, jotka voivat olla satojen kilometrien syvyydessä. Princetonin, Michiganin yliopiston ja Harvardin astrofysiikaryhmän uuden tutkimuksen mukaan vesimaailmat eivät ehkä pysty pysymään vedessä pitkään. Näillä havainnoilla voi olla valtava merkitys kosmosen kaulassa sijaitsevien asuttavien planeettojen metsästyksessä.
Tämä viimeisin tutkimus, jonka otsikko on ”Vesimaailman kuivuminen ilmakehän häviöiden kautta”, ilmestyi äskettäin The Astrophysical Journal Letters -lehdessä. Princetonin yliopiston astrofysiikan laitoksen Chuanfei Dongin johdolla ryhmä teki tietokonesimulaatioita, joissa otettiin huomioon millaisiin olosuhteisiin vesimaailmat altistuvat.
Tätä tutkimusta motivoi suurelta osin viime vuosina tehtyjen eksoplaneettojen löytöjen lukumäärä pienimassan, M-tyypin (punainen kääpiö) tähtijärjestelmien ympärille. Näiden planeettojen on todettu olevan kooltaan vertailukelpoisia maan kanssa - mikä osoitti niiden olevan todennäköisesti maanpäällisiä (ts. Kivisiä). Lisäksi monien näistä planeetoista - kuten Proxima b: n ja kolmen planeetan TRAPPIST-1 -järjestelmän sisällä - havaittiin kiertävän tähtiä asuttavilla alueilla.
Myöhemmät tutkimukset kuitenkin osoittivat, että Proxima b ja muut punaisilla kääpiötähteillä kiertävät kallioiset planeetat voivat todella olla vesimaailmat. Tämä perustui tähtitieteellisten tutkimusten avulla saatuihin massaarvioihin ja sisäänrakennettuihin oletuksiin, että tällaiset planeetat olivat luonteeltaan kivisiä ja että niissä ei ollut massiivista ilmakehää. Samanaikaisesti on tehty useita tutkimuksia, jotka ovat herättäneet epäilyjä siitä, kykenevätkö nämä planeetat pitämään vedensä vai eivät.
Pohjimmiltaan kaikki johtuu tähti tyypistä ja planeettojen kiertoradan parametreista. Pitkäikäisten punaisten kääpiötähteiden tiedetään olevan muuttuvia ja epävakaita verrattuna aurinkoomme, mikä johtaa säännöllisiin soihdutuksiin, jotka poistavat planeetan ilmapiirin ajan myötä. Tämän lisäksi punaisen kääpiön asumisvyöhykkeellä kiertävät planeetat olisivat todennäköisesti vuorovesi-lukittu, mikä tarkoittaa, että maapallon toinen puoli altistuu jatkuvasti tähden säteilylle.
Tämän vuoksi tutkijat keskittyvät selvittämään, kuinka hyvin erityyppisissä tähtijärjestelmissä olevat eksoplaneetit kestäisivät ilmakehään. Kuten tohtori Dong kertoi Space Magazinelle sähköpostitse:
”On rehellistä sanoa, että ilmakehän läsnäolo nähdään yhtenä planeetan asumiskelpoisuuden edellytyksistä. Asumiskyky on kuitenkin monimutkainen käsite, johon liittyy lukemattomia tekijöitä. Siten ilmapiiri itsessään ei riitä takaamaan asumiskelpoisuutta, mutta sitä voidaan pitää tärkeänä ainesosana planeetan asuttamiselle. "
Testaakseen, pystyykö vesimaailma pysymään ilmakehässään, ryhmä suoritti tietokonesimulaatioita, joissa otettiin huomioon useita mahdollisia skenaarioita. Näihin sisältyi tähtimagneettisten kenttien, koronaalimassan ejektioiden vaikutukset ja ilmakehän ionisaation ja poistumisen erityyppiset tähdet - mukaan lukien G-tyypin tähdet (kuten aurinkoomme) ja M-tyypin tähdet (kuten Proxima Centauri ja TRAPPIST-1).
Kun nämä vaikutukset otettiin huomioon, tohtori Dong ja hänen kollegansa laativat kattavan mallin, joka simuloi kuinka kauan eksoplaneetan ilmapiirit kestävät. Kuten hän selitti sen:
”Kehitimme uuden moninesteisen magnetohydrodynaamisen mallin. Malli simuloi sekä ionosfääriä että magnetosfääriä kokonaisuutena. Dipolimagneettikentän olemassaolosta johtuen tähtituuli ei voi pyyhkiä ilmakehää suoraan (kuten Mars, koska globaalia dipolimagneettikenttää ei ole), sen sijaan ilmakehän ionihäviö aiheutui polaarituulista.
”Elektronit ovat vähemmän massiivisia kuin niiden vanhemmat ionit, ja sen seurauksena ne kiihdytetään helpommin planeetan pakoonopeuteen ja sen yli. Tämä varauksen erottelu pakenevien, pienmassoisten elektronien ja huomattavasti raskaampien, positiivisesti varautuneiden ionien välillä muodostaa polarisaatiosähkökentän. Tämä sähkökenttä puolestaan vetää positiivisesti varautuneita ioneja pakenevien elektronien takana ulos polaarikannen ilmakehästä. "
He havaitsivat, että heidän tietokoneen simulaatiot olivat yhdenmukaisia nykyisen Earth-Sun -järjestelmän kanssa. Joissakin äärimmäisissä mahdollisuuksissa - kuten M-tyypin tähtiä ympäröivillä eksoplaneetoilla - tilanne on kuitenkin hyvin erilainen ja pakenevuusaste voi olla tuhat kertaa suurempi tai enemmän. Tulos tarkoittaa, että jopa vesimaailma, jos se kiertää punaista kääpiötähteä, voi menettää ilmakehänsä noin gigayearin (Gyr), miljardin vuoden kuluttua.
Kun otetaan huomioon, että elämämme, kuten tiedämme, kesti noin 4,5 miljardia vuotta kehittyäkseen, miljardi vuotta on suhteellisen lyhyt ikkuna. Itse asiassa, kuten tohtori Dong selitti, nämä tulokset osoittavat, että planeettoja, jotka kiertävät M-tyypin tähtiä, painettaisiin kovasti elämän kehittämiseen:
”Tuloksemme osoittavat, että valtamerten planeetat (jotka kiertävät auringon kaltaista tähteä) säilyttävät ilmakehänsä paljon kauemmin kuin Gyrin aikataulu, koska ionien poistumisnopeudet ovat aivan liian alhaiset, joten se mahdollistaa pidemmän keston, jotta elämä voi alkaa näillä planeetoilla. ja kehittyvät monimutkaisuuden suhteen. Sitä vastoin M-kääpiöiden kiertävillä eksoplaneetoilla niiden valtameret voivat ehtyä Gyrin aikataulun yli intensiivisempien hiukkas- ja säteilyympäristöjen vuoksi, joita eksoplaneetit kokevat lähellä asuttavia alueita. Jos ilmapiiri ehtyisi aikataulun mukaan vähemmän kuin Gyr, tämä voi osoittautua ongelmalliseksi planeetan elämän alkuperälle (abiogeneesille). "
Nämä tulokset herättävät jälleen kerran epäilyksiä punaisten kääpiöiden tähtijärjestelmien mahdollisesta asettavuudesta. Aikaisemmin tutkijat ovat ilmoittaneet, että punaisten kääpiötähtien pitkäikäisyys, joka voi pysyä pääjärjestyksessään jopa 10 biljoonaa vuotta tai kauemmin, tekee niistä parhaan ehdokkaan löytääkseen asumiskelpoisia eksoplaneetteja. Näiden tähteiden vakaus ja tapa, jolla ne todennäköisesti irtoavat ilmakehän planeettoja, näyttää kuitenkin osoittavan toisin.
Tämän kaltaiset tutkimukset ovat siksi erittäin merkittäviä siksi, että niiden avulla voidaan selvittää kuinka kauan potentiaalisesti asuttava planeetta punaisen kääpiötähden ympärillä voisi pysyä mahdollisesti asuttavana. Dong ilmoitti:
”Kun otetaan huomioon ilmakehän menetyksen merkitys planeettojen asumiskelpoisuudelle, on ollut kiinnostusta käyttää teleskooppeja, kuten tulevaa James Webbin avaruusteleskooppia (JWST), niiden määrittämiseksi, onko näillä planeetoilla ilmakehää, ja jos on, mikä niiden koostumus on . JWST: n odotetaan kykenevän luonnehtimaan näitä ilmaolosuhteita (jos niitä on), mutta poistumisnopeuksien tarkka kvantifiointi vaatii paljon suurempaa tarkkuutta eikä se välttämättä ole mahdollista lähitulevaisuudessa. "
Tutkimus on merkityksellinen myös aurinkokunnan ja sen kehityksen ymmärtämisen kannalta. Samaan aikaan tutkijat ovat uskoneet, että sekä Maa että Venus ovat saattaneet olla vesimaailmia. Kuinka he tekivät siirtymisen hyvin vetistä nykyhetkeen - Venuksen tapauksessa kuiva ja helvetti; ja maapallon tapauksessa, jolla on useita maanosia - on erittäin tärkeä kysymys.
Jatkossa odotetaan yksityiskohtaisempia tutkimuksia, jotka voisivat auttaa valaisemaan näitä kilpailevia teorioita. Kun James Webbin avaruusteleskooppi (JWST) otetaan käyttöön keväällä 2018, se käyttää voimakkaita infrapunaominaisuuksiaan tutkimaan lähistöllä olevien punaisten kääpiöiden ympärillä olevia planeettoja, Proxima b ollessa yksi niistä. Se, mitä opimme tästä ja muista kaukaisista eksoplaneetoista, vie paljon kohti tietämystämme siitä, kuinka myös oma aurinkokuntamme kehittyi.
