Jeśli chodzi o poszukiwanie światów, które mogłyby wspierać życie pozaziemskie, naukowcy polegają obecnie na podejściu „nisko wiszących owoców”. Ponieważ znamy tylko jeden zestaw warunków, w których życie może się rozwijać - tj. To, co mamy tutaj na Ziemi - sensowne jest poszukiwanie światów, które mają takie same warunki. Obejmują one lokalizację w strefie życia gwiazdy, stabilną atmosferę i zdolność utrzymywania ciekłej wody na powierzchni.
Do tej pory naukowcy polegali na metodach, które bardzo utrudniają wykrycie pary wodnej w atmosferze planet lądowych. Ale dzięki nowemu badaniu prowadzonemu przez Yuka Fujii z Goddard Institute for Space Studies (GISS) NASA, może to się wkrótce zmienić. Wykorzystując nowy trójwymiarowy model, który uwzględnia globalne wzorce krążenia, badanie to wskazuje również, że egzoplanety nadające się do zamieszkania mogą być bardziej powszechne, niż nam się wydawało.
Badanie, zatytułowane „Wilgotne atmosfery górne atmosfery synchronicznie obracających się planet pozaziemskich o umiarkowanej prędkości”, niedawno pojawiło się w The Astrophysical Journal. Oprócz dr Fujii, który jest również członkiem Earth-Life Science Institute w Tokyo Institute of Technology, w skład zespołu badawczego wchodzili Anthony D. Del Genio (GISS) i David S. Amundsen (GISS i Columbia University).
Mówiąc najprościej, płynna woda jest niezbędna do życia, jakie znamy. Jeśli planeta nie ma wystarczająco ciepłej atmosfery, aby utrzymać płynną wodę na swojej powierzchni przez wystarczającą ilość czasu (rzędu miliardów lat), jest mało prawdopodobne, że życie będzie w stanie powstać i ewoluować. Jeśli planeta jest zbyt daleko od swojej gwiazdy, jej woda powierzchniowa zamarznie; jeśli jest zbyt blisko, jego woda powierzchniowa wyparuje i zniknie w kosmosie.
Podczas gdy woda była wcześniej wykrywana w atmosferach egzoplanet, we wszystkich przypadkach planety były masywnymi gazowymi gigantami, które bardzo blisko orbitowały wokół swoich gwiazd. (alias. „Hot Jupiters”). Jak stwierdzają Fujii i jej koledzy w swoich badaniach:
„Mimo że w atmosferze gorących Jowisza wykryto sygnatury H2O, wykrywanie sygnatur molekularnych, w tym H2O, na umiarkowanych planetach lądowych jest niezwykle trudne, ze względu na mały promień planetarny i małą skalę wysokości (ze względu na niższą temperaturę i przypuszczalnie większą średnią waga molekularna)."
Jeśli chodzi o egzoplanety naziemne (tj. Skaliste), wcześniejsze badania były zmuszone polegać na modelach jednowymiarowych do obliczania obecności wody. Polegało to na pomiarze strat wodoru, w których para wodna w stratosferze jest rozkładana na wodór i tlen po ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe. Mierząc szybkość, z jaką wodór jest tracony w przestrzeń kosmiczną, naukowcy oszacują ilość ciekłej wody wciąż obecnej na powierzchni.
Jednak, jak wyjaśnia dr Fujii i jej koledzy, takie modele opierają się na kilku założeniach, których nie można rozwiązać, takich jak globalny transport ciepła i pary wodnej, a także skutki chmur. Zasadniczo poprzednie modele przewidywały, że aby para wodna osiągnęła stratosferę, długoterminowe temperatury powierzchni na tych egzoplanetach musiałyby być o ponad 66 ° C (150 ° F) wyższe niż to, czego doświadczamy tutaj na Ziemi.
Temperatury te mogą powodować silne burze konwekcyjne na powierzchni. Jednak burze te nie mogą być przyczyną, dla której woda dociera do stratosfery, gdy dochodzi do powoli obracających się planet wchodzących w wilgotny stan szklarni - gdzie para wodna intensyfikuje ciepło. Wiadomo, że planety, które krążą blisko swoich gwiazd macierzystych, mają powolny obrót lub są zablokowane pływowo z ich planetami, przez co burze konwekcyjne są mało prawdopodobne.
Zdarza się to dość często w przypadku planet naziemnych, które są rozmieszczone wokół niewielkich, bardzo chłodnych gwiazd typu M (czerwony karzeł). W przypadku tych planet ich bliskość do gwiazdy macierzystej oznacza, że jej wpływ grawitacyjny będzie wystarczająco silny, aby spowolnić lub całkowicie zatrzymać ich obrót. Kiedy to nastąpi, na wewnętrznej stronie planety powstają grube chmury, chroniąc ją przed znaczną ilością światła gwiazdy.
Zespół odkrył, że chociaż może to utrzymywać chłód w ciągu dnia i zapobiegać wznoszeniu się pary wodnej, ilość promieniowania bliskiej podczerwieni (NIR) może zapewnić wystarczającą ilość ciepła, aby spowodować przejście planety w stan wilgotnej szklarni. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku typu M i innych chłodnych gwiazd karłowatych, o których wiadomo, że wytwarzają więcej na drodze NIR. Gdy promieniowanie to ogrzewa chmury, para wodna unosi się do stratosfery.
Aby rozwiązać ten problem, Fujii i jej zespół polegali na trójwymiarowych modelach ogólnej cyrkulacji (GCM), które obejmują cyrkulację atmosferyczną i heterogeniczność klimatu. Ze względu na swój model zespół rozpoczął od planety, która miała atmosferę podobną do Ziemi i była całkowicie pokryta oceanami. Pozwoliło to zespołowi wyraźnie zobaczyć, w jaki sposób zmiany odległości od różnych rodzajów gwiazd wpłynęłyby na warunki na powierzchni planet.
Założenia te pozwoliły zespołowi wyraźnie zobaczyć, jak zmiana odległości orbitalnej i rodzaju promieniowania gwiazdowego wpływa na ilość pary wodnej w stratosferze. Jak wyjaśnił dr Fujii w komunikacie prasowym NASA:
„Korzystając z modelu, który bardziej realistycznie symuluje warunki atmosferyczne, odkryliśmy nowy proces, który kontroluje mieszkalność egzoplanet i pomoże nam w identyfikacji kandydatów do dalszych badań… Odkryliśmy ważną rolę dla rodzaju promieniowania emitowanego przez gwiazdę i jego wpływu ma cyrkulację atmosferyczną egzoplanety w stanie wilgotnej szklarni. ”
Ostatecznie nowy model zespołu wykazał, że skoro gwiazda o niskiej masie emituje większość swojego światła przy długości fali NIR, wilgotny stan szklarni spowoduje, że planety krążą wokół nich. Spowodowałoby to warunki na ich powierzchniach porównywalne do tego, czego Ziemia doświadcza w tropikach, gdzie warunki są gorące i wilgotne, a nie gorące i suche.
Co więcej, ich model wskazał, że procesy sterowane przez NIR stopniowo zwiększają wilgotność w stratosferze, do tego stopnia, że egzoplanety krążące bliżej swoich gwiazd mogą pozostać nadające się do zamieszkania. To nowe podejście do oceny potencjalnego zamieszkiwania pozwoli astronomom symulować cyrkulację atmosfer planet i szczególne cechy tego obiegu, czego nie mogą zrobić modele jednowymiarowe.
W przyszłości zespół planuje ocenić, w jaki sposób zmiany właściwości planetarnych - takie jak grawitacja, rozmiar, skład atmosferyczny i ciśnienie powierzchniowe - mogą wpływać na cyrkulację pary wodnej i zdolność do zamieszkania. To, wraz z ich trójwymiarowym modelem, który uwzględnia wzorce cyrkulacji planet, pozwoli astronomom z większą dokładnością określić potencjalną zdolność do zamieszkania odległych planet. Jak wskazał Anthony Del Genio:
„Tak długo, jak znamy temperaturę gwiazdy, możemy oszacować, czy planety blisko ich gwiazd mogą potencjalnie znajdować się w stanie wilgotnej szklarni. Obecna technologia zostanie wykorzystana do granic możliwości wykrywania niewielkich ilości pary wodnej w atmosferze egzoplanety. Jeśli wykryje się wystarczającą ilość wody, prawdopodobnie oznacza to, że planeta jest w stanie wilgotnej szklarni. ”
Oprócz zaoferowania astronomom bardziej kompleksowej metody określania zamieszkiwania egzoplanet, to badanie jest również dobrą wiadomością dla łowców egzoplanet, którzy chcą znaleźć planety nadające się do zamieszkania wokół gwiazd typu M. Nisko masywne, super chłodne gwiazdy typu M są najczęstszą gwiazdą we Wszechświecie, stanowiąc około 75% wszystkich gwiazd Drogi Mlecznej. Wiedza, że mogą wspierać egzoplanety nadające się do zamieszkania, znacznie zwiększa szanse na znalezienie takiej.
Ponadto, niniejsze badanie jest BARDZO dobrą wiadomością, biorąc pod uwagę ostatnie badania, które poddały poważne wątpliwości co do zdolności gwiazd typu M do przyjmowania planet nadających się do zamieszkania. Badania przeprowadzono w odpowiedzi na wiele planet lądowych odkrytych w pobliżu czerwonych karłów w ostatnich latach. Ujawnili, że generalnie czerwone gwiazdy karła doświadczają zbyt dużego rozbłysku i mogą pozbawić swoje planety atmosfery.
Należą do nich 7-planetowy system TRAPPIST-1 (z których trzy znajdują się w strefie zamieszkiwalnej gwiazdy) i najbliższa egzoplaneta - Układ Słoneczny, Proxima b. Sama liczba planet podobnych do Ziemi odkrytych wokół gwiazd typu M, w połączeniu z naturalną długością tej klasy gwiazd, skłoniła wielu członków społeczności astrofizycznej do zaryzykowania, że gwiazdy czerwonego karła mogą być najbardziej prawdopodobnym miejscem do znalezienia egzoplanet nadających się do zamieszkania.
Dzięki najnowszym badaniom, które wskazują, że te planety mogą w końcu nadawać się do zamieszkania, wydaje się, że piłka wróciła na boisko!
