Szukając egzoplanet potencjalnie nadających się do zamieszkania, naukowcy zmuszeni są do przyjęcia nisko wiszących owoców. Ponieważ Ziemia jest jedyną znaną planetą zdolną do życia, poszukiwania sprowadzają się w zasadzie do poszukiwania planet „podobnych do Ziemi”. Ale co, jeśli Ziemia nie jest miernikiem zdolności do zamieszkania, o którym wszyscy sądzimy, że tak jest?
Był to temat głównego wykładu, który został niedawno wygłoszony na Kongresie Geochemii Goldschmidta, który odbył się w dniach 18–23 sierpnia w Barcelonie w Hiszpanii. Tutaj zespół naukowców wspieranych przez NASA wyjaśnił, w jaki sposób badanie tego, co wchodzi w definiowanie stref mieszkalnych (HZ), pokazuje, że niektóre egzoplanety mogą mieć lepsze warunki życia, niż Ziemia.
Prezentacja została oparta na badaniu zatytułowanym „A Limited Habitable Zone for Complex Life”, które ukazało się w wydaniu z czerwca 2019 r. The Astrophysical Journal. Badanie zostało przeprowadzone przez naukowców z Caltech, NASA Goddard Institute for Space Studies, NASA Astrobiology Institute, NASA Postdoctoral Program, NExSS Virtual Planetary Laboratory, Blue Marble Space Institute of Science i wielu uniwersytetów.
Jak wskazują w swoich badaniach, HZ są zwykle definiowane jako zakres odległości od gwiazdy macierzystej, w obrębie którego na powierzchni może znajdować się woda w stanie ciekłym. Nie bierze to jednak pod uwagę dynamiki atmosfery, która jest potrzebna do zapewnienia stabilności klimatu - która obejmuje sprzężenie zwrotne węglanowo-krzemianowe w celu utrzymania temperatur powierzchni w pewnym zakresie.
Ponieważ dostępne są tylko pośrednie metody oceny warunków na odległych egzoplanetach, astronomowie polegają na wyrafinowanych modelach klimatu i ewolucji planet. Podczas prezentacji syntezy tego podejścia podczas głównego wykładu dr Stephanie Olson z University of Chicago (współautor badania) opisała poszukiwania w celu znalezienia najlepszych warunków życia na egzoplanetach:
„Poszukiwanie przez NASA życia we Wszechświecie koncentruje się na tak zwanych planetach strefy zamieszkałej, które są światami o potencjale płynących oceanów. Ale nie wszystkie oceany są równie gościnne - a niektóre oceany będą lepszymi miejscami do życia niż inne ze względu na ich globalne wzorce krążenia.
„Nasza praca miała na celu identyfikację oceanów egzoplanetowych, które mają największą zdolność do przyjmowania bogatego i aktywnego życia na całym świecie. Życie w oceanach na Ziemi zależy od upwellingu (przepływu w górę), który zwraca składniki odżywcze z ciemnych głębin oceanu do nasłonecznionych części oceanu, w których żyje życie fotosyntetyczne. Więcej upwellingu oznacza więcej zapasów składników odżywczych, co oznacza większą aktywność biologiczną. Są to warunki, których musimy szukać na egzoplanetach ”.
Ze względu na swoje badania Olsen i jej koledzy modelowali warunki na różnych egzoplanetach za pomocą oprogramowania ROCKE-3D. Ten ogólny model obiegu (GCM) został opracowany przez Goddard Institute for Space Studies (GISS) NASA w celu zbadania różnych punktów w historii Ziemi i innych planet lądowych Układu Słonecznego (takich jak Merkury, Wenus i Mars).
Tego oprogramowania można również użyć do symulacji klimatu i siedlisk oceanicznych na różnych typach egzoplanet. Po modelowaniu różnych możliwych egzoplanet (w oparciu o ponad 4000 odkrytych do tej pory), byli oni w stanie określić, które rodzaje egzoplanet są najbardziej prawdopodobne w rozwoju i utrzymaniu kwitnącej biosfery.
Polegało to na zastosowaniu modelu krążenia oceanów, który zidentyfikował, które egzoplanety miałyby najbardziej efektywny upwell, a tym samym byłyby w stanie utrzymać oceany w gościnnych warunkach. Odkryli, że planety o wyższej gęstości atmosferycznej, wolniejszych prędkościach obrotowych i obecności kontynentów dają wyższe prędkości upwellingu.
Główną zaletą tego jest to, że Ziemia może nie nadawać się do zamieszkania w optymalny sposób, biorąc pod uwagę jej dość szybki współczynnik rotacji. „To zaskakujący wniosek” - powiedział dr Olson - „pokazuje nam, że warunki na niektórych egzoplanetach o sprzyjających wzorcach cyrkulacji oceanicznej mogłyby być lepiej dostosowane do podtrzymywania życia, które jest bardziej obfite lub bardziej aktywne niż życie na Ziemi”.
Jest to rodzaj dobrej wiadomości / złej wiadomości. Z jednej strony rozbija iluzję, że Ziemia jest standardem, według którego można zmierzyć inne potencjalnie mieszkalne egzoplanety. Z drugiej strony wskazuje, że życie może być bardziej obfite w naszym Wszechświecie, niż sugerowałyby to wcześniejsze konserwatywne szacunki.
Ale jak wskazał Olsen, zawsze będzie istniała luka między życiem a tym, co jesteśmy w stanie wykryć, z powodu ograniczeń w naszej technologii. Badanie to jest zatem znaczące, ponieważ zachęca astronomów do skierowania swoich wysiłków na podzbiór egzoplanet, który najprawdopodobniej faworyzuje „duże, globalnie aktywne biosfery, w których życie będzie najłatwiejsze do wykrycia - i gdzie niewykrycie będzie najbardziej znaczące”.
Będzie to możliwe w nadchodzącej dekadzie dzięki rozmieszczeniu teleskopów nowej generacji, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), który astronomowie oczekują, że będzie odgrywał kluczową rolę w charakteryzowaniu atmosfery i środowiska powierzchniowego egzoplanet. Inne teleskopy, które wciąż znajdują się na desce kreślarskiej, mogą pójść jeszcze dalej - częściowo dzięki takim badaniom.
„Idealnie, ta praca wpłynie na projekt teleskopu, aby zapewnić, że przyszłe misje” - powiedział dr Olson - „takie jak proponowane koncepcje teleskopów LUVOIR lub HabEx, będą miały odpowiednie możliwości; teraz wiemy, czego szukać, więc musimy zacząć szukać ”.
Jeśli chodzi o poszukiwanie dowodów życia poza Układem Słonecznym (lub w jego obrębie), wiedza o tym, czego szukać, może być nawet ważniejsza niż posiadanie najbardziej wyrafinowanych narzędzi. W nadchodzących latach astronomowie będą mogli korzystać z najnowocześniejszych technologii i ulepszonych metod, wykorzystując wszystko, czego się dotychczas nauczyliśmy, aby znaleźć dowody na życie inne niż nasze.
