Tulevaisuuden näkökulmasta NASA: lla ja muilla avaruusjärjestöillä on suuria toiveita aurinkoisen planeetan ulkopuolisen tutkimuksen alalle. Viimeisen vuosikymmenen aikana tunnettujen eksoplaneettojen lukumäärä on saavuttanut vain ujo 4000, ja monien muiden odotetaan löytävän seuraavan sukupolven teleskooppien käyttöönoton jälkeen. Ja niin monen tutkittavan eksoplaneetan kanssa, tutkimuksen tavoitteet ovat hitaasti siirtyneet löytöprosessista kohti luonnehdintaa.
Valitettavasti tutkijoita vaivaa edelleen se tosiseikka, että siihen, mitä pidämme "asuttavana vyöhykkeenä", tehdään paljon oletuksia. Kansainvälinen tutkijaryhmä julkaisi äskettäin tutkimuksen, jossa he ilmoittivat, miten tulevat eksoplaneettatutkimukset voisivat katsoa maapallon analogisten esimerkien ulkopuolelle osoituksena asumiskelpoisuudesta ja omaksua kattavamman lähestymistavan.
Paperi, jonka otsikko on ”Habitable Zone ennusteet ja miten niitä testataan”, ilmestyi äskettäin verkossa, ja se lähetettiin valkoisena paperina Astro 2020 -tapahtuman tutkimukseen tähtitiedestä ja astrofysiikasta. Sen takana olevaa ryhmää johti Earth-Life Science Institute (ELSI) ja Space Science Institute (SSI) tutkija Ramses M. Ramirez, jonka yhteyteen osallistuivat kirjoittajat ja allekirjoittajat 23 yliopistosta ja instituutiosta.
Dekadaalisen tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella aikaisemmin saavutettua edistystä eri tutkimusaloilla ja asettaa prioriteetteja seuraavalle vuosikymmenelle. Sellaisena kysely antaa tärkeitä ohjeita NASA: lle, National Space Foundation (NSF): lle ja energiaministeriölle suunniteltaessa tähtitieteen ja astrofysiikan tutkimustavoitteitaan tulevaisuudelle.
Tällä hetkellä monet näistä tavoitteista keskittyvät eksoplaneettojen tutkimukseen, josta on hyötyä tulevina vuosina seuraavan sukupolven teleskooppien, kuten James Webbin avaruuskaukoputki (JWST) ja Laajakenttäinen infrapuna-avaruusteleskooppi (WFIRST), samoin kuin maassa sijaitsevat observatoriat, kuten erittäin suuri kaukoputki (ELT), kolmenkymmenen metrin kaukoputki ja jättiläinen Magellan-kaukoputki (GMT).
Yksi eksoplaneettojen tutkimuksen ensisijaisista painopistealueista on sellaisten planeettojen etsiminen, joissa maapallon ulkopuolinen elämä voisi olla olemassa. Tässä suhteessa tutkijat nimeävät planeetat potentiaalisesti asuttaviksi (ja sen vuoksi ansaitsevat seurantatutkimuksia) sen perusteella, kiertävätkö ne tähtien asuttavilla alueilla (HZ) vai eivät. Tästä syystä on järkevää katsoa, mitä HZ: n määrittelyyn menee.
Kuten Ramirez ja hänen kollegansa totesivat paperissaan, yksi suurimmista eksoplaneetan asumiskelpoisuuteen liittyvistä kysymyksistä on tehtyjen oletusten taso. Hajottaaksesi sen, useimmissa HZ: n määritelmissä oletetaan veden läsnäolo pinnalla, koska tämä on ainoa liuotin, jonka tällä hetkellä tiedetään olevan isäntäelämässä. Samat määritelmät olettavat, että elämä vaatii kivistä planeettaa, jolla on tektoninen aktiivisuus ja joka kiertää sopivasti kirkkaan ja lämpimän tähden.
Viimeaikainen tutkimus on kuitenkin herättänyt epäilyjä monista näistä oletuksista. Tähän sisältyy tutkimuksia, jotka osoittavat, että ilmakehän happi ei tarkoita automaattisesti elämän läsnäoloa - varsinkin jos happi on kemiallisen dissosioitumisen eikä fotosynteesin seurausta. Muut tutkimukset ovat osoittaneet, kuinka happikaasun läsnäolo planeetan kehityksen varhaisissa vaiheissa voisi estää peruselämän muotojen nousun.
Lisäksi on tehty äskettäin tutkimuksia, jotka ovat osoittaneet, kuinka levytektoniikka ei välttämättä ole välttämätöntä elämän syntymiselle ja että ns. Vesimaailmat eivät ehkä pysty tukemaan elämää (mutta silti voisivat). Tämän lisäksi sinulla on teoreettista työtä, joka ehdottaa, että elämä voisi kehittyä metaanin tai ammoniakin merillä muilla taivaankappaleilla.
Keskeinen esimerkki tässä on Saturnuksen kuu Titan, josta löytyy ympäristö, joka on rikas prebioottisissa olosuhteissa ja orgaanisessa kemiassa - mikä joidenkin tutkijoiden mielestä voisi tukea eksoottisia elämänmuotoja. Loppujen lopuksi tutkijat etsivät tunnettuja biomarkkereita, kuten vettä ja hiilidioksidia, koska ne liittyvät maapallon elämään, mikä on ainoa tunnettu esimerkki elämää kantavasta planeetasta.
Mutta kuten Ramirez selitti Space Magazinelle sähköpostitse, tämä ajattelutapa (jossa maapallon analogia pidetään sopivana elämää varten) on edelleen täynnä ongelmia:
”Klassinen asutettavissa olevan vyöhykkeen määritelmä on virheellinen, koska sen rakenne perustuu pääasiassa maapallon keskittyneisiin ilmastollisiin perusteisiin, joita voidaan soveltaa tai ei voida soveltaa muihin mahdollisesti asuttaviin planeettoihin. Esimerkiksi se olettaa, että moniriviset CO2-ilmakehät voidaan tukea potentiaalisesti asuttaville planeetoille lähellä asutettavan vyöhykkeen ulkoreunaa. Tällaiset korkeat hiilidioksidipitoisuudet ovat kuitenkin myrkyllisiä maan kasveille ja eläimille, joten emme tiedä, kuinka järkevä tämä oletus on, kun ymmärrämme paremmin elämän rajoja.
”Klassinen HZ olettaa myös, että CO2 ja H2O ovat tärkeimmät kasvihuonekaasut, jotka ylläpitävät potentiaalisesti asuttavia planeettoja, mutta useissa viime vuosien tutkimuksissa on kehitetty vaihtoehtoisia HZ-määritelmiä, joissa käytetään erilaisia kasvihuonekaasuyhdistelmiä, mukaan lukien sellaisia, jotka, vaikka ovat suhteellisen vähäisiä maapallolla, voivat olla. tärkeitä muille mahdollisesti asuttaville planeetoille. ”
Dr. Ramirez on aiemmassa tutkimuksessa osoittanut, kuinka metaanin ja vetykaasun läsnäolo voi myös aiheuttaa
Onneksi näillä määritelmillä on mahdollisuus testata seuraavan sukupolven kaukoputkien käyttöönoton ansiosta. Tutkijoiden ei vain pystytä testaamaan joitain pitkäaikaisia oletuksia, joihin HZ: t perustuvat,
”Seuraavan sukupolven teleskoopit voisivat testata asutettavissa olevan alueen etsimällä ennustettua ilmakehän hiilidioksidin paineen nousua, mitä kauemmas potentiaalisesti asuttavat planeetat ovat niiden tähtiä kohti. Tämä testaisi myös sitä, onko karbonaatti-silikaattisykli, joka on monien mielestä pitänyt planeettamme asuttavana suurimman osan historiastaan, universaali prosessi vai ei. "
Tässä prosessissa silikaattikivet muutetaan hiilikiveiksi säänkestävyyden ja eroosion kautta, kun taas hiilikivet muutetaan silikaattikiveiksi vulkaanisen ja geologisen aktiivisuuden kautta. Tämä sykli varmistaa maapallon ilmakehän pitkän aikavälin vakauden pitämällä hiilidioksiditasot ajan tasalla. Se kuvaa myös kuinka vesi ja levytektoniikka ovat välttämättömiä elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme.
Tämän tyyppinen kierto voi kuitenkin esiintyä vain planeetoilla, joilla on maata, mikä sulkee tehokkaasti pois "vesimaailmat". Näiden eksoplaneettojen - jotka saattavat olla yleisiä M-tyypin (punainen kääpiö) tähtiä ympärillä - uskotaan olevan jopa 50% vettä massasta. Kun vesimäärät ovat niiden pinnalla, vesimaailmilla on todennäköisesti tiheät jääkerrokset ydinvaipan rajalla, mikä estää hydrotermisen toiminnan.
Mutta kuten jo todettiin, eräät tutkimukset osoittavat, että nämä planeetat voisivat silti olla asuttavia. Vaikka veden runsaus estäisi kivien hiilidioksidin imeytymistä ja tukahduttaisi vulkaanista aktiivisuutta, simulaatiot ovat osoittaneet, että nämä planeetat voisivat silti kiertää hiiltä ilmakehän ja valtameren välillä pitäen siten ilmaston vakaana.
Jos Dr. Ramirez sanoo, että tämäntyyppisiä valtameri maailmoja on, tutkijat voisivat havaita ne matalamman planeettatiheytensä ja korkeapaineilmakehän kautta. Ja sitten on kysymys useista kasvihuonekaasuista, jotka eivät aina ole merkki lämpimämmästä planeettojen ilmakehästä tähdetyypistä riippuen.
"Vaikka metaani lämmittää planeettamme, havaitsimme, että metaani todella jäähdyttää punaisten kääpiötähteiden kiertävien asumisalueiden planeettojen pintoja!" hän sanoi. ”Jos näin on, korkeat ilmakehän metaanimäärät sellaisilla planeetoilla voivat tarkoittaa jäätyneitä olosuhteita, jotka eivät ehkä sovellu elämän järjestämiseen. Pystymme tarkkailemaan tätä planeetta-spektrissä. ”
Punaisista kääpiöistä puhutaan keskustelua siitä, pystyisikö näitä tähtiä kiertävät planeetat ylläpitämään ilmakehän. Muutaman viime vuoden aikana on tehty useita löytöjä, jotka viittaavat siihen, että kallioiset, vuorovesilukitut planeetat ovat yleisiä punaisten kääpiötähteiden ympärillä ja että ne kiertävät tähtensä vastaavissa HZ: issä.
Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin vahvistaneet teoriaa, jonka mukaan punaisten kääpiötähtien epävakaus johtaisi todennäköisesti aurinkolamppuihin, jotka poistaisivat kaikki ilmakehään kiertävät planeetat. Viimeiseksi, Ramirez ja hänen kollegansa tuovat esiin mahdollisuuden, että asuttavat planeetat voitaisiin kiertää kiertäessä sitä, mitä (viime aikoihin saakka) on pidetty epätodennäköisenä ehdokkaana.
Nämä olisivat päätyyppi A-tähtiä - kuten Sirius A, Altair ja Vega - joiden ajateltiin olevan liian kirkkaita ja kuumia sopimaan asettamiseen. Dr. Ramirez sanoi tämän mahdollisuuden:
”Olen myös kiinnostunut selvittämään, esiintyykö elämää A-tähtiä kiertävillä asuttavilla vyöhykkeillä. A-tähden planeettojen asumiskelpoisuudesta ei ole julkaistu paljon, mutta jotkut seuraavan sukupolven arkkitehtuurit suunnittelevat niiden noudattamista. Opimme pian lisätietoja A-tähtien soveltuvuudesta elämään. ”
Viime kädessä tämänkaltaiset tutkimukset, jotka kyseenalaistavat ”asutettavan alueen” määritelmän, ovat hyödyllisiä, kun seuraavan sukupolven tehtävät alkavat tiedeoperaatioita. Korkeamman resoluution ja herkempien laitteiden avulla he voivat testata ja validoida monia tutkijoiden tekemiä ennusteita.
Nämä testit myös vahvistavat, voisiko elämä olemassa siellä vain sellaisena kuin me sen tiedämme, vai myös niiden parametrien ulkopuolella, joita pidämme "maan kaltaisina". Mutta kuten Ramirez lisäsi, hänen ja hänen kollegoidensa suorittama tutkimus osoittaa myös, kuinka tärkeää on, että jatkamme investointeja edistyneeseen kaukoputketekniikkaan:
”Lehdessämme korostetaan myös jatkuvan investoinnin merkitystä edistyneeseen teleskooppitekniikkaan. Meidän on kyettävä löytämään ja luonnehtimaan mahdollisimman monta asutettavissa olevaa vyöhykeplaneetta, jos haluamme maksimoida elämämme löytämismahdollisuudet. Toivon kuitenkin myös, että paperimme inspiroi ihmisiä unelmoimaan vain seuraavien 10 vuoden ajalta. Uskon todella, että lopulta tapahtuu operaatioita, jotka ovat paljon kykenevämpiä kuin mikään nykyinen suunnittelemme. Nykyiset ponnistelumme ovat vasta alkua lajillemme paljon sitoutuneempaan pyrkimykseen. ”
Vuoden 2020 vuosikymmenen kyselykokousta isännöivät yhdessä fysiikan ja tähtitieteen hallitus ja Kansallisen tiedeakatemian avaruustutkimuslautakunta, ja sitä seuraa raportti, joka julkaistaan noin kahden vuoden kuluttua.
