W sercu NASA Center for Climate Simulation (NCCS) - części Goddard Space Flight Center NASA - znajduje się superkomputer Discover, 129 000-rdzeniowy klaster procesorów opartych na systemie Linux. Ten superkomputer, który jest w stanie przeprowadzać operacje 6,8 petaflopów (6,8 bilionów) na sekundę, ma za zadanie uruchomić wyrafinowane modele klimatyczne, aby przewidzieć, jak będzie wyglądał klimat Ziemi w przyszłości.
Jednak NCCS zaczął również poświęcać część mocy superkomputera Discover, aby przewidzieć, jakie mogą być warunki na każdej z ponad 4000 planet odkrytych poza naszym Układem Słonecznym. Te symulacje nie tylko pokazały, że wiele z tych planet może nadawać się do zamieszkania, ale są kolejnym dowodem na to, że nasze pojęcia „zamieszkiwania” mogłyby zostać przemyślane.
Pomimo ogromnej liczby odkryć egzoplanet, które miały miejsce w ciągu ostatniej dekady, naukowcy nadal są zmuszeni polegać na modelach klimatycznych w celu ustalenia, które z nich mogą być „potencjalnie nadające się do zamieszkania”. Obecnie eksploracja tych planet za pomocą statku kosmicznego jest całkowicie niepraktyczna ze względu na duże odległości.
Jak omówiliśmy w poprzednim artykule, dotarcie do najbliższego układu gwiezdnego (Alpha Centauri) przy użyciu obecnych metod i technologii zajęłoby od 19 000 do 81,000 lat. Ponadto bezpośrednia obserwacja egzoplanet jest możliwa tylko w rzadkich przypadkach przy użyciu dzisiejszych teleskopów, które zazwyczaj obejmują masywne planety krążące wokół swoich gwiazd z dużej odległości. Planety te są zwykle gazowymi gigantami i dlatego nie nadają się do zamieszkania.
W każdym razie astronomowie odkryli, że wszystkie planety, które zostały zaobserwowane poza naszym Układem Słonecznym, mają charakter eklektyczny. W przeważającej części 4,108 egzoplanet, które do tej pory zostały potwierdzone, były albo gazowymi gigantami podobnymi do Neptuna (1375), gazowymi gigantami podobnymi do Jowisza (1293) lub Super-Ziemiami (1273). Tylko 161 egzoplanet było w naturze ziemskich (czyli skalistych lub „podobnych do Ziemi”), wszystkie z nich znaleziono wokół gwiazd typu M (czerwonego karła).
Jak wyjaśniła Elisa Quintana - astrofizyk z NASA Goddard, który kierował zespołem odpowiedzialnym za odkrycie w 2014 r. Kepler-186f, pierwszej planety wielkości Ziemi w strefie zamieszkałej (HZ):
„Przez długi czas naukowcy koncentrowali się na poszukiwaniu systemów podobnych do Słońca i Ziemi. To wszystko, co wiedzieliśmy. Ale dowiedzieliśmy się, że istnieje cała szalona różnorodność na planetach. Znaleźliśmy planety tak małe jak Księżyc. Znaleźliśmy gigantyczne planety. I znaleźliśmy niektóre, które krążą wokół małych gwiazd, gigantycznych gwiazd i wielu gwiazd. ”
Odkrycie planet ziemskich krążących w strefach czerwonych karłów było początkowo źródłem wielkich emocji. Nie tylko są to gwiazdy najczęściej występujące w naszym Wszechświecie - odpowiadające za 85% gwiazd w samej Drodze Mlecznej - ale znaleziono kilka orbitujących wokół gwiazd znajdujących się w pobliżu Układu Słonecznego.
Obejmuje to trzy planety krążące w strefie HZ TRAPPIST-1 (39,46 lat świetlnych stąd) i Proxima b, najbliższa egzoplaneta Ziemi (4,24 lat świetlnych stąd). Niestety w ostatnich latach przeprowadzono wiele badań, które wykazały, że planety te miałyby trudności z utrzymaniem żywotnej atmosfery w czasie.
Krótko mówiąc, fakt, że są mniejsze i chłodniejsze, oznacza, że czerwone karły mają strefy zbliżone do ich powierzchni. Oznacza to, że każda planeta krążąca wokół HZ czerwonego karła najprawdopodobniej zostanie z nimi przypieczętowana, co oznacza, że jedna strona jest stale zwrócona w stronę gwiazdy i na końcu odbierającym całe ciepło, promieniowanie i wiatr słoneczny gwiazdy.
To, czy planety te nadają się do zamieszkania, zależy więc od wielu czynników, takich jak obecność gęstej atmosfery, obecność magnetosfery i odpowiednie obfitości chemiczne. Zamiast widzieć bezpośrednio planety i sprawdzać, czy istnieją te składniki życia (inaczej biosignatury), naukowcy polegają na modelach klimatycznych, aby pomóc w poszukiwaniu „potencjalnie nadających się do zamieszkania” egzoplanet.
Według Karla Stapelfeldta, głównego egzoplanetarnego naukowca NASA, który ma siedzibę w Jet Propulsion Laboratory, umiejętność modelowania klimatu na innych planetach jest absolutnie niezbędna. do przyszłości eksploracji kosmosu „Modele zawierają konkretne, testowalne prognozy tego, co powinniśmy zobaczyć”, powiedział. „Są to bardzo ważne przy projektowaniu naszych przyszłych teleskopów i strategii obserwacji”.
Mówiąc wprost, modelowanie klimatu polega na stworzeniu symulacji tego, jaki będzie klimat Ziemi (lub innej planety) w oparciu o określone warunki i / lub zmiany środowiska. Przez lata tę pracę wykonywał Anthony Del Genio, niedawno emerytowany naukowiec zajmujący się klimatem planetarnym w Goddard Institute for Space Studies w NASA. Podczas swojej kariery Del Genio przeprowadzał symulacje klimatu z udziałem Ziemi i innych planet (w tym Proxima b).
Podsumowując, Proxima b jest mniej więcej tego samego rozmiaru co Ziemia i co najmniej 1,3 razy większa. Krąży wokół swojej gwiazdy (Proxima Centauri) raz na 11,2 ziemskiego dnia i w odległości 0,05 AU (5% odległości między Ziemią a Słońcem). W tej odległości planeta najprawdopodobniej zostanie grawitacyjnie przymocowana do swojej gwiazdy, z jednej strony stale narażonej na intensywne promieniowanie gwiazdy, podczas gdy druga będzie narażona na ciągłe ciemności i ujemne temperatury.
Jednak zespół Del Genio przeprowadził ostatnio symulację możliwych klimatów na Proximie b, aby ponownie sprawdzić, ile z nich zapewni ciepłe i mokre środowisko zdolne do podtrzymywania życia. Co ciekawe, symulacje te wykazały, że planety takie jak Proxima b mogą faktycznie nadawać się do zamieszkania, mimo że są zablokowane pływowo i całe promieniowanie jest narażone na jedną stronę.
Aby przeprowadzić te symulacje, zespół Del Genio wykorzystał superkomputer Discover do uruchomienia opracowanego przez siebie symulatora planetarnego - o nazwie ROCKE-3D. Ten symulator jest oparty na wersji modelu klimatu Ziemi, który został po raz pierwszy opracowany w latach 70. XX wieku, który zaktualizowano, aby mógł symulować klimat na innych planetach, częściowo w oparciu o rodzaje orbit, jakie mogą mieć i ich skład atmosferyczny.
Dla każdej symulacji zespół Del Genio zmieniał warunki na Proxima b, aby zobaczyć, jak wpłynie to na jego klimat. Obejmowało to dostosowanie rodzajów i ilości gazów cieplarnianych w jego atmosferze, głębokości, wielkości i zasolenia oceanów oraz stosunku ziemi do wody. Dzięki temu mogli zobaczyć, jak cyrkulują chmury i oceany oraz w jaki sposób promieniowanie słoneczne planety będzie oddziaływać z atmosferą i powierzchnią Proximy b.
Odkryli, że hipotetyczna warstwa chmur Proximy b działałaby jak tarcza, odchylając promieniowanie słoneczne od powierzchni i obniżając temperaturę po stronie słonecznej Proximy b. Jest to zgodne z badaniami przeprowadzonymi przez naukowców Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) w NASA Goddard, które pokazały, jak Proxima b może tworzyć chmury tak masywne, że pokryłyby całe niebo.
Jak wyjaśnił Ravi Kopparapu, planetolog NASD Goddard, który modeluje również potencjalne klimaty egzoplanet:
„Jeśli planeta jest zablokowana grawitacyjnie i obraca się powoli wokół swojej osi, koło gwiazdy formuje się przed gwiazdą, zawsze wskazując na nią. Wynika to z siły znanej jako efekt Coriolisa, który powoduje konwekcję w miejscu, w którym gwiazda ogrzewa atmosferę. Nasze modelowanie pokazuje, że Proxima b mogłaby wyglądać tak. ”
Wraz z cyrkulacją oceanów, ten krąg chmur oznaczałby również, że ciepłe powietrze i woda mogły przenieść się na ciemną stronę planety, osiągając w ten sposób transfer ciepła i czyniąc całą planetę bardziej gościnną. „Aby nie dopuścić do zamarznięcia atmosfery po stronie nocnej, po stronie nocnej tworzysz części, które faktycznie utrzymują płynną wodę na powierzchni, nawet jeśli te części nie widzą światła”, powiedział Del Genio.
Oprócz krążenia i utrzymywania ciepła, atmosfery i prądy oceaniczne są również odpowiedzialne za dystrybucję gazów i pierwiastków chemicznych, które są niezbędne do życia, jakie znamy - np. tlen, dwutlenek węgla, metan itp. Są one znane jako „biosignatures”, ponieważ są albo niezbędne do życia tutaj na Ziemi, albo są związane z procesami biologicznymi.
Jednak słowo kluczowe to „jak wiemy”. Obecnie Ziemia pozostaje jedyną znaną planetą nadającą się do zamieszkania, a różne formy życia, które obsługuje, są jedynymi znanymi nam przykładami. W związku z tym poszukiwanie życia poza Ziemią ogranicza się obecnie do poszukiwania biopodpisów, które są niezbędne (i powiązane ze znanymi) formami życia. To właśnie nazywamy „podejściem do niskich owoców”.
Co więcej, Ziemia ewoluowała znacznie w ciągu ostatnich kilku miliardów lat, podobnie jak formy życia, które nazywają ją domem. Podczas gdy dzisiaj tlen jest niezbędny dla organizmów ssaków, byłby toksyczny dla bakterii fotosyntetycznych, które dobrze prosperowały w atmosferze dwutlenku węgla i azotu, która istniała na Ziemi miliardy lat temu.
Tak więc, podczas gdy tego rodzaju modelowanie nie jest pewne, czy planeta jest zamieszkana, z pewnością może pomóc zawęzić poszukiwania, pokazując, którzy kandydaci są obiecującymi celami do dalszych obserwacji. „Chociaż nasza praca nie jest w stanie powiedzieć obserwatorom, czy dana planeta nadaje się do zamieszkania, czy nie, możemy powiedzieć, czy planeta jest w połowie dobrych kandydatów do dalszych poszukiwań” - powiedział Del Genio.
Będzie to szczególnie pomocne w nadchodzących latach, gdy teleskopy nowej generacji zabiorą się w kosmos. Należą do nich Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma zostać wystrzelony w 2021 r., I Kosmiczny Teleskop Podczerwieni (WFIRST), który wystartuje w 2023 r. Wraz z naziemnymi obserwatoriami, takimi jak Niezwykle Duży Teleskop (ELT), te instrumenty pozwolą naukowcom po raz pierwszy bezpośrednio obserwować mniejsze planety.
Koronografy, takie jak Gwiezdny Cień, również zrobią dużą różnicę, zagłuszając światło gwiazd, które w przeciwnym razie przesłaniają światło odbite od atmosfery planety. Te i inne zmiany oznaczają, że astronomowie będą mogli również badać atmosferę skalistych egzoplanet, co pozwoli im ostatecznie z pewnością stwierdzić, które planety są „potencjalnie nadające się do zamieszkania”.
Obejrzyj animację przedstawiającą klimat Proximy b, dzięki uprzejmości zespołu Del Genio i NASA Goddard Space Flight Center:
