Podczas polowania na potencjalnie nadające się do zamieszkania egzoplanety, jedną z najważniejszych rzeczy, których astronomowie szukają, jest to, czy kandydaci na egzoplanetę krążą wokół strefy zamieszkania gwiazdy. Jest to konieczne, aby płynna woda istniała na powierzchni planety, co z kolei jest warunkiem życia, jakie znamy. Jednak w trakcie odkrywania nowych egzoplanet naukowcy zdali sobie sprawę z ekstremalnego przypadku znanego jako „światy wodne”.
Światy wodne to zasadniczo planety o masie do 50% wody, co powoduje, że oceany powierzchniowe mogą mieć głębokość setek kilometrów. Według nowych badań przeprowadzonych przez zespół astrofizyków z Princeton, University of Michigan i Harvard, światy wodne mogą nie być w stanie długo utrzymać się na swojej wodzie. Odkrycia te mogą mieć ogromne znaczenie, jeśli chodzi o polowanie na planety nadające się do zamieszkania w naszej szyi kosmosu.
Ostatnie badanie zatytułowane „Odwodnienie światów wodnych poprzez straty atmosferyczne” pojawiło się ostatnio w The Astrophysical Journal Letters. Zespół prowadzony przez Chuanfei Dong z Wydziału Nauk Astrofizycznych na Uniwersytecie Princeton, przeprowadził symulacje komputerowe, które wzięły pod uwagę warunki, na jakie będą narażone światy wodne.
Badania te były w dużej mierze motywowane liczbą odkryć egzoplanet dokonanych w ostatnich latach wokół układów gwiezdnych typu M (czerwonego karła). Stwierdzono, że planety te są porównywalne pod względem wielkości z Ziemią - co wskazuje, że prawdopodobnie były one ziemskie (tj. Skaliste). Ponadto stwierdzono, że wiele z tych planet - takich jak Proxima b i trzy planety w systemie TRAPPIST-1 - krążą wokół stref zamieszkiwalnych gwiazd.
Jednak późniejsze badania wykazały, że Proxima b i inne skaliste planety krążące wokół gwiazd czerwonego karła mogą w rzeczywistości być światami wodnymi. Zostało to oparte na szacunkach masy uzyskanych z badań astronomicznych i wbudowanych założeniach, że takie planety mają charakter skalisty i nie mają masywnych atmosfer. Jednocześnie przeprowadzono wiele badań, które podały w wątpliwość, czy planety te będą w stanie utrzymać się na wodzie.
Zasadniczo wszystko sprowadza się do rodzaju gwiazdy i parametrów orbitalnych planet. Choć długo żyjące, czerwone karły są znane z tego, że są zmienne i niestabilne w porównaniu z naszym Słońcem, co powoduje okresowe rozbłyski, które z czasem rozerwałyby atmosferę planety. Ponadto planety krążące wokół strefy zamieszkania czerwonego karła prawdopodobnie byłyby zablokowane pływowo, co oznacza, że jedna strona planety byłaby stale narażona na promieniowanie gwiazdy.
Z tego powodu naukowcy koncentrują się na określeniu, jak dobrze egzoplanety w różnych typach układów gwiezdnych mogłyby utrzymać swoją atmosferę. Jak dr Dong powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Można śmiało powiedzieć, że obecność atmosfery jest postrzegana jako jeden z wymogów dotyczących warunków życia planety. To powiedziawszy, koncepcja zamieszkiwania jest złożona z niezliczonymi czynnikami. Zatem sama atmosfera nie wystarczy, aby zagwarantować zamieszkiwanie, ale można ją uznać za ważny składnik planety, która nadaje się do zamieszkania. ”
Aby sprawdzić, czy świat wody będzie w stanie utrzymać atmosferę, zespół przeprowadził symulacje komputerowe, które uwzględniły różne możliwe scenariusze. Obejmowały one efekty gwiezdnych pól magnetycznych, wyrzutów masy koronalnej oraz jonizacji i wyrzutu atmosferycznego dla różnych rodzajów gwiazd - w tym gwiazd typu G (jak nasze Słońce) i gwiazd typu M (jak Proxima Centauri i TRAPPIST-1).
Po uwzględnieniu tych efektów dr Dong i jego koledzy opracowali kompleksowy model, który symulował czas trwania atmosfer egzoplanetowych. Jak to wyjaśnił:
„Opracowaliśmy nowy wielopłynny model magnetohydrodynamiczny. Model symulował zarówno jonosferę, jak i magnetosferę jako całość. Z uwagi na istnienie dipolowego pola magnetycznego wiatr gwiezdny nie może bezpośrednio zmieść atmosfery (podobnie jak Mars z powodu braku globalnego dipolowego pola magnetycznego), natomiast utratę jonów atmosferycznych spowodował wiatr polarny.
„Elektrony są mniej masywne niż jony macierzyste, w wyniku czego łatwiej je przyspieszyć do prędkości ucieczki planety i poza nią. Ten rozdział ładunku między uciekającymi elektronami o niskiej masie a znacznie cięższymi, dodatnio naładowanymi jonami tworzy pole elektryczne polaryzacji. To pole elektryczne z kolei odciąga dodatnio naładowane jony za uciekającymi elektronami z atmosfery w czapach polarnych. ”
Odkryli, że ich symulacje komputerowe były zgodne z obecnym systemem Ziemia-Słońce. Jednak w niektórych ekstremalnych możliwościach - takich jak egzoplanety wokół gwiazd typu M - sytuacja jest zupełnie inna, a wskaźniki ucieczki mogą być tysiąc razy większe lub większe. Wynik oznacza, że nawet wodny świat, jeśli krąży wokół czerwonej gwiazdy karła, mógłby stracić atmosferę po około gigayear (Gyr), miliard lat.
Biorąc pod uwagę, że ewolucja życia zajęła około 4,5 miliarda lat, miliard lat to stosunkowo krótki okres. W rzeczywistości, jak wyjaśnił dr Dong, wyniki te wskazują, że planety krążące wokół gwiazd typu M byłyby trudne do wytworzenia życia:
„Nasze wyniki wskazują, że planety oceaniczne (krążące wokół gwiazdy podobnej do Słońca) zachowają swoje atmosfery znacznie dłużej niż skala czasowa Gyr, ponieważ wskaźniki ucieczki jonów są zdecydowanie zbyt niskie, dlatego pozwala to na wydłużenie życia na tych planetach i ewoluują pod względem złożoności. W przeciwieństwie do egzoplanet krążących wokół krasnoludów M, mogą one wyczerpać swoje oceany w skali czasowej Gyr z powodu bardziej intensywnego środowiska cząstek i promieniowania, jakiego doświadczają egzoplanety w bliskich strefach zamieszkania. Gdyby atmosfera ulegała wyczerpaniu w czasie mniejszym niż Gyr, mogłoby to okazać się problematyczne z punktu widzenia pochodzenia życia (abiogenezy) na planecie. ”
Ponownie wyniki te podają w wątpliwość potencjalną zdolność do zamieszkania systemów gwiezdnych czerwonych karłów. W przeszłości naukowcy wskazali, że długowieczność czerwonych karłów, które mogą pozostawać w swojej głównej sekwencji przez okres do 10 bilionów lat lub dłużej, czyni z nich najlepszego kandydata do znalezienia egzoplanet nadających się do zamieszkania. Jednak stabilność tych gwiazd i sposób, w jaki mogą one usuwać planety z ich atmosfery, wydaje się wskazywać na coś innego.
Badania takie jak ten są zatem bardzo znaczące, ponieważ pomagają ustalić, jak długo potencjalnie zamieszkana planeta wokół gwiazdy czerwonego karła może pozostać potencjalnie zamieszkana. Dong wskazał:
„Biorąc pod uwagę znaczenie strat atmosferycznych dla zamieszkiwania planet, istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem teleskopów, takich jak nadchodzący Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), do ustalenia, czy planety te mają atmosferę, a jeśli tak, to jaki jest ich skład . Oczekuje się, że JWST powinien być w stanie scharakteryzować te atmosfery (jeśli są obecne), ale dokładne oszacowanie wskaźników ucieczki wymaga znacznie wyższego stopnia precyzji i może nie być możliwe w najbliższej przyszłości. ”
Badanie jest również znaczące, jeśli chodzi o nasze rozumienie Układu Słonecznego i jego ewolucji. Kiedyś naukowcy zaryzykowali, że Ziemia i Wenus mogły być światami wodnymi. Jak przeszli od bycia bardzo wodnistymi do tego, czym są dzisiaj - w przypadku Wenus, suchej i piekielnej; aw przypadku Ziemi posiadanie wielu kontynentów - to bardzo ważne pytanie.
W przyszłości oczekuje się bardziej szczegółowych badań, które mogłyby pomóc rzucić światło na te konkurencyjne teorie. Kiedy kosmiczny teleskop Jamesa Webba (JWST) zostanie wdrożony wiosną 2018 r., Wykorzysta swoje potężne możliwości podczerwieni do badania planet wokół pobliskich czerwonych karłów, z których jednym z nich jest Proxima b. To, czego dowiadujemy się o tej i innych odległych egzoplanetach, znacznie przyczyni się do poinformowania nas o tym, jak ewoluował również nasz Układ Słoneczny.
