Patrząc w przyszłość, NASA i inne agencje kosmiczne pokładają duże nadzieje w dziedzinie badań planet pozasłonecznych. W ostatnim dziesięcioleciu liczba znanych egzoplanet osiągnęła zaledwie 4000, i oczekuje się, że o wiele więcej zostanie znalezionych po uruchomieniu teleskopów następnej generacji. Przy tak wielu egzoplanetach do zbadania cele badawcze powoli odchodziły od procesu odkrywania w kierunku charakteryzacji.
Niestety, naukowcy wciąż prześladują fakt, że to, co uważamy za „strefę zamieszkiwaną”, podlega wielu założeniom. Aby temu zaradzić, międzynarodowy zespół naukowców opublikował niedawno artykuł, w którym wskazał, w jaki sposób przyszłe badania egzoplanet mogą wyglądać poza przykładami analogicznymi do Ziemi jako oznaki zamieszkiwania i przyjąć bardziej kompleksowe podejście.
Artykuł zatytułowany „Prognozy strefy zamieszkania i sposób ich testowania” ukazał się niedawno w Internecie i został przedłożony jako biała księga do Dekadalnej Ankiety Astro 2020 na temat astronomii i astrofizyki. Zespołowi temu przewodniczył Ramses M. Ramirez, badacz z Earth-Life Science Institute (ELSI) i Space Science Institute (SSI), do którego dołączyli współautorzy i sygnatariusze z 23 uniwersytetów i instytucji.
Celem badania dekadowego jest uwzględnienie wcześniejszych postępów w różnych dziedzinach badań i ustalenie priorytetów na nadchodzące dziesięciolecie. W związku z tym badanie dostarcza kluczowych wskazówek NASA, National Space Foundation (NSF) i Departamentowi Energii, którzy planują swoje cele badawcze w dziedzinie astronomii i astrofizyki na przyszłość.
Obecnie wiele z tych celów koncentruje się na badaniu egzoplanet, co przyniesie korzyści w nadchodzących latach dzięki rozmieszczeniu teleskopów nowej generacji, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i Kosmiczny teleskop na podczerwień (WFIRST), a także naziemne obserwatoria, takie jak Ekstremalnie Duży Teleskop (ELT), Teleskop Trzydziestometrowy i Gigantyczny Teleskop Magellana (GMT).
Jednym z nadrzędnych priorytetów badań egzoplanet jest poszukiwanie planet, na których mogłoby istnieć życie pozaziemskie. W związku z tym naukowcy określają planety jako „potencjalnie nadające się do zamieszkania” (a zatem godne dalszych obserwacji) w oparciu o to, czy krążą wokół stref zamieszkiwanych przez gwiazdy (HZ). Z tego powodu rozsądnie jest przyjrzeć się temu, co wchodzi w skład definiowania HZ.
Jak wskazał Ramirez i jego koledzy w swoim artykule, jednym z głównych problemów związanych z mieszkalnością egzoplanet jest poziom poczynionych założeń. Aby to rozbić, większość definicji HZ zakłada obecność wody na powierzchni, ponieważ jest to jedyny znany rozpuszczalnik, który obecnie żyje. Te same definicje zakładają, że życie wymaga skalistej planety o aktywności tektonicznej krążącej wokół odpowiednio jasnej i ciepłej gwiazdy.
Jednak ostatnie badania podają w wątpliwość wiele z tych założeń. Obejmuje to badania wskazujące, że tlen atmosferyczny nie oznacza automatycznie obecności życia - zwłaszcza jeśli tlen jest wynikiem dysocjacji chemicznej, a nie fotosyntezy. Inne badania wykazały, że obecność tlenu gazowego we wczesnych okresach ewolucji planety może zapobiec rozwojowi podstawowych form życia.
Ponadto ostatnio przeprowadzono badania, które pokazały, że płytowa tektonika może nie być konieczna do powstania życia, i że tak zwane „światy wodne” mogą nie być w stanie utrzymać życia (ale nadal mogą). Co więcej, masz pracę teoretyczną, która sugeruje, że życie może ewoluować w morzach metanu lub amoniaku na innych ciałach niebieskich.
Kluczowym przykładem jest tutaj księżyc Saturna Tytan, który szczyci się środowiskiem bogatym w warunki prebiotyczne i chemię organiczną - które zdaniem niektórych naukowców mogą wspierać egzotyczne formy życia. Ostatecznie naukowcy szukają znanych biomarkerów, takich jak woda i dwutlenek węgla, ponieważ są one związane z życiem na Ziemi, jedynym znanym przykładem planety niosącej życie.
Ale jak Ramirez wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty e-mail, ten sposób myślenia (gdzie analogi Ziemi są uważane za odpowiednie do życia) jest nadal pełen problemów:
„Definicja klasycznej strefy mieszkalnej jest błędna, ponieważ jej konstrukcja opiera się głównie na argumentach klimatologicznych skoncentrowanych na Ziemi, które mogą, ale nie muszą mieć zastosowania do innych potencjalnie nadających się do zamieszkania planet. Na przykład zakłada, że atmosfery CO2 z wieloma barami mogą być obsługiwane na planetach potencjalnie zamieszkałych w pobliżu zewnętrznej krawędzi strefy mieszkalnej. Jednak tak wysokie poziomy CO2 są toksyczne dla ziemskich roślin i zwierząt, a zatem bez lepszego zrozumienia granic życia, nie wiemy, jak uzasadnione jest to założenie.
„Klasyczna HZ zakłada również, że CO2 i H2O są kluczowymi gazami cieplarnianymi podtrzymującymi potencjalnie nadające się do zamieszkania planety, ale w kilku ostatnich badaniach opracowano alternatywne definicje HZ przy użyciu różnych kombinacji gazów cieplarnianych, w tym tych, które, choć stosunkowo niewielkie na Ziemi, mogą być ważne dla innych potencjalnie nadających się do zamieszkania planet. ”
W poprzednim badaniu dr Ramireza wykazał, w jaki sposób może również powodować obecność metanu i wodoru
Na szczęście definicje te będą mogły zostać przetestowane dzięki zastosowaniu teleskopów nowej generacji. Naukowcy będą mogli nie tylko przetestować niektóre z wieloletnich założeń, na których opierają się HZ,
„Teleskopy nowej generacji mogłyby przetestować strefę zamieszkiwalną, szukając przewidywanego wzrostu ciśnienia CO2 w atmosferze, im dalej planety potencjalnie zamieszkalne pochodzą od ich gwiazd. Sprawdziłoby to również, czy cykl węglanowo-krzemianowy, który według wielu osób utrzymywał naszą planetę przez większą część swojej historii, jest procesem uniwersalnym, czy też nie. ”
W tym procesie skały krzemianowe przekształcane są w skały węglowe poprzez wietrzenie i erozję, podczas gdy skały węglowe przekształcane są w skały krzemianowe w wyniku aktywności wulkanicznej i geologicznej. Cykl ten zapewnia długoterminową stabilność atmosfery ziemskiej, utrzymując stały poziom CO2 w czasie. Pokazuje również, jak tektonika wody i płyt jest niezbędna do życia, jakie znamy.
Jednak ten typ cyklu może istnieć tylko na planetach, które mają ziemię, co skutecznie wyklucza „światy wodne”. Te egzoplanety - które mogą być powszechne wokół gwiazd typu M (czerwony karzeł) - są uważane za do 50% masy wody. Przy takiej ilości wody na swoich powierzchniach „wodne światy” prawdopodobnie będą miały gęste warstwy lodu na granicy rdzenia i płaszcza, zapobiegając w ten sposób aktywności hydrotermalnej.
Ale jak już wspomniano, istnieją pewne badania, które wskazują, że te planety mogą nadal nadawać się do zamieszkania. Podczas gdy obfitość wody zapobiegałaby absorpcji dwutlenku węgla przez skały i tłumiłaby aktywność wulkaniczną, symulacje wykazały, że planety te nadal mogą obracać węgiel między atmosferą a oceanem, utrzymując w ten sposób stabilność klimatu.
Według Ramireza, jeśli istnieją tego rodzaju światy oceaniczne, naukowcy mogliby je wykryć dzięki niższej gęstości planetarnej i atmosferze pod wysokim ciśnieniem. A potem jest kwestia różnych gazów cieplarnianych, które nie zawsze wskazują na cieplejsze atmosfery planetarne, w zależności od rodzaju gwiazdy.
„Chociaż metan ogrzewa naszą planetę, odkryliśmy, że metan faktycznie chłodzi powierzchnie planet stref mieszkalnych krążących wokół czerwonych karłów!” powiedział. „W takim przypadku duże ilości metanu w atmosferze na takich planetach mogą oznaczać zamrożone warunki, które być może nie nadają się do życia. Będziemy mogli to zaobserwować w widmach planetarnych. ”
Mówiąc o czerwonych karłach, trwa debata, czy planety krążące wokół tych gwiazd będą w stanie utrzymać atmosferę. W ciągu ostatnich kilku lat dokonano wielu odkryć, które sugerują, że skaliste, zablokowane pływowo planety są powszechne wokół gwiazd czerwonego karła i krążą wokół odpowiednich stref gwiazdowych.
Jednak późniejsze badania potwierdziły teorię, że niestabilność gwiazd czerwonego karła prawdopodobnie doprowadziłaby do rozbłysków słonecznych, które usuwałyby planety krążące wokół nich z ich atmosfery. Wreszcie, Ramirez i jego koledzy podnoszą możliwość znalezienia planet nadających się do zamieszkania, krążących wokół tego, co (do niedawna) uważano za mało prawdopodobnego kandydata.
Byłyby to główne gwiazdy typu A - takie jak Syriusz A, Altair i Vega - które uważano za zbyt jasne i gorące, aby nadawały się do zamieszkania. Dr Ramirez powiedział o tej możliwości:
„Chciałbym również dowiedzieć się, czy życie istnieje na planetach strefy zamieszkałej, krążących wokół gwiazd A. Nie opublikowano wielu ocen siedliska planet gwiazd A, ale niektóre architektury nowej generacji planują je obserwować. Wkrótce dowiemy się więcej o przydatności gwiazd A do życia. ”
Ostatecznie badania tego rodzaju, które podważają definicję „strefy zamieszkałej”, przydadzą się, gdy misje nowej generacji rozpoczną działalność naukową. Za pomocą swoich instrumentów o wyższej rozdzielczości i czułości będą mogli przetestować i zweryfikować wiele prognoz poczynionych przez naukowców.
Testy te potwierdzą również, czy życie mogłoby istnieć tam, gdzie je znamy, czy też poza parametrami, które uważamy za „podobne do Ziemi”. Jednak, jak dodał Ramirez, badanie przeprowadzone przez niego i jego współpracowników podkreśla również, jak ważne jest, abyśmy nadal inwestowali w zaawansowaną technologię teleskopów:
„Nasz artykuł podkreśla również znaczenie ciągłych inwestycji w zaawansowaną technologię teleskopów. Musimy być w stanie znaleźć i scharakteryzować jak najwięcej planet strefy zamieszkałej, jeśli chcemy zmaksymalizować nasze szanse na znalezienie życia. Mam jednak również nadzieję, że nasz artykuł zainspiruje ludzi do marzeń poza następnymi 10 latami. Naprawdę wierzę, że w końcu pojawią się misje, które będą znacznie bardziej wydajne niż wszystko, co obecnie projektujemy. Nasze obecne wysiłki to dopiero początek o wiele bardziej zaangażowanego wysiłku na rzecz naszego gatunku. ”
Spotkanie poświęcone badaniu dekadowemu w 2020 r. Jest organizowane wspólnie przez Radę Fizyki i Astronomii oraz Radę ds. Studiów Kosmicznych Narodowej Akademii Nauk, a następnie zostanie opublikowany raport, który zostanie opublikowany za około dwa lata.
