Når det kommer til at søge efter verdener, der kan understøtte udenjordisk liv, er videnskabsmænd i øjeblikket afhængige af "lavthængende frugt" -tilgangen. Da vi kun kender et sæt betingelser, under hvilke livet kan trives - dvs. hvad vi har her på Jorden - giver det mening at kigge efter verdener, der har de samme betingelser. Disse inkluderer at være placeret i en stjernes beboelige zone, have en stabil atmosfære og være i stand til at opretholde flydende vand på overfladen.
Indtil nu har videnskabsmænd været afhængige af metoder, der gør det meget vanskeligt at detektere vanddamp i atmosfæren på jordiske planeter. Men takket være en ny undersøgelse ledet af Yuka Fujii fra NASA's Goddard Institute for Space Studies (GISS), kan det være ved at ændre sig. Ved hjælp af en ny tredimensionel model, der tager højde for de globale cirkulationsmønstre, indikerer denne undersøgelse også, at beboelige eksoplaneter måske er mere almindelige, end vi troede.
Undersøgelsen med titlen "NIR-drevet fugtige øvre atmosfære af synkront roterende tempererede terrestriske exoplaneter", dukkede for nylig op i The Astrophysical Journal. Foruden Dr. Fujii, der også er medlem af Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology, omfattede forskerteamet Anthony D. Del Genio (GISS) og David S. Amundsen (GISS og Columbia University).
Kort sagt er flydende vand afgørende for livet, som vi kender det. Hvis en planet ikke har en varm nok atmosfære til at opretholde flydende vand på sin overflade i en tilstrækkelig tid (i størrelsesordenen milliarder af år), er det usandsynligt, at livet vil kunne dukke op og udvikle sig. Hvis en planet er for fjernt fra sin stjerne, fryser dens overfladevand; hvis det er for tæt, fordamper dets overfladevand og går tabt i rummet.
Mens der tidligere er blevet opdaget vand i atmosfærerne fra eksoplaneterne, var planeterne i alle tilfælde massive gasgiganter, der kredsede meget tæt på deres stjerner. (alias. “Hot Jupiters”). Som Fujii og hendes kolleger siger i deres undersøgelse:
”Selvom H2O-underskrifter er blevet påvist i atmosfærerne fra varme Jupiters, er det at opdage molekylære signaturer, inklusive H2O, på tempererede jordiske planeter ekstremt udfordrende på grund af den lille planetarius og den lille skalahøjde (på grund af den lavere temperatur og formodentlig større middelværdi) molekylær vægt)."
Når det kommer til terrestriske (dvs. stenede) eksoplaneter, blev tidligere undersøgelser tvunget til at stole på endimensionelle modeller for at beregne tilstedeværelsen af vand. Dette bestod af måling af brinttab, hvor vanddamp i stratosfæren nedbrydes til brint og ilt fra udsættelse for ultraviolet stråling. Ved at måle den hastighed, hvormed brint går tabt i rummet, vil forskerne estimere mængden af flydende vand, der stadig findes på overfladen.
Som Dr. Fujii og hendes kolleger forklarer, er sådanne modeller imidlertid afhængige af adskillige antagelser, der ikke kan imødekommes, som inkluderer den globale transport af varme og vanddamp samt virkningerne af skyer. Grundlæggende forudsagde tidligere modeller, at for at vanddamp for at nå stratosfæren, ville de langsigtede overfladetemperaturer på disse exoplaneter skulle være mere end 66 ° C (150 ° F) højere end hvad vi oplever her på Jorden.
Disse temperaturer kunne skabe kraftige konvektive storme på overfladen. Imidlertid kunne disse storme ikke være grunden til, at vand når stratosfæren, når det drejer sig om langsomt roterende planeter, der kommer ind i en fugtig drivhustilstand - hvor vanddamp intensiverer varmen. Det vides, at planeter, der kredser tæt på deres moderstjerner, enten har en langsom rotation eller at de er tidligt låst med deres planeter, hvilket gør konvektive storme usandsynlige.
Dette forekommer ret ofte for jordbaserede planeter, der er placeret omkring lavmasse, ultrakøle, M-type (røde dværge) stjerner. For disse planeter betyder deres nærhed til deres værtstjerne, at det er gravitationspåvirkning vil være stærk nok til at bremse eller helt stoppe deres rotation. Når dette sker, dannes der tykke skyer på planeten på dagen, og beskytter den mod meget af stjernens lys.
Holdet fandt ud af, at selvom dette kunne holde køretiden kølig og forhindre, at vanddamp stiger, kunne mængden af nærinfrarød stråling (NIR) give tilstrækkelig varme til at få en planet til at komme ind i en fugtig drivhustilstand. Dette gælder især for M-type og andre seje dværgstjerner, der vides at producere mere i vejen for NIR. Når denne stråling varmer skyerne, vil vanddamp stige ind i stratosfæren.
For at tackle dette, var Fujii og hendes team afhængige af tredimensionelle generelle cirkulationsmodeller (GCM'er), der inkorporerer atmosfærisk cirkulation og klimaheterogenitet. Af hensyn til deres model startede teamet med en planet, der havde en jordlignende atmosfære og var helt dækket af oceaner. Dette gjorde det muligt for teamet at se, hvordan variationer i afstand fra forskellige typer stjerner ville påvirke forholdene på planets overflader.
Disse antagelser gjorde det muligt for teamet at se, hvordan ændring af orbitalafstanden og typen af stjernestråling påvirkede mængden af vanddamp i stratosfæren. Som Dr. Fujii forklarede i en NASA-pressemeddelelse:
”Ved hjælp af en model, der mere realistisk simulerer atmosfæriske forhold, opdagede vi en ny proces, der kontrollerer eksoplaneternes levedygtighed og vil vejlede os i at identificere kandidater til videre undersøgelse… Vi fandt en vigtig rolle for den type stråling, en stjerne udsender, og effekten har en atmosfærisk cirkulation af en exoplanet i at gøre det fugtige drivhustilstand. ”
I sidste ende demonstrerede holdets nye model, at da lavmasse-stjerne udsender størstedelen af deres lys ved NIR-bølgelængder, vil en fugtig drivhustilstand resultere i, at planeter kredser tæt på dem. Dette ville resultere i forhold på deres overflader, der kan sammenlignes med hvad Jorden oplever i troperne, hvor forholdene er varme og fugtige i stedet for varmt og tørt.
Derudover indikerede deres model, at NIR-drevne processer forøgede fugt i stratosfæren gradvist, til det punkt, at eksoplaneter, der kredser tættere på deres stjerner, kunne forblive beboelige. Denne nye tilgang til vurdering af potentiel beboelsesevne vil give astronomer mulighed for at simulere cirkulation af planetariske atmosfærer og de særlige træk ved denne cirkulation, hvilket er noget, en-dimensionelle modeller ikke kan gøre.
I fremtiden planlægger teamet at vurdere, hvordan variationer i planetariske egenskaber - som tyngdekraft, størrelse, atmosfærisk sammensætning og overfladetryk - kan påvirke vanddampcirkulationen og -evne. Dette vil sammen med deres 3-dimensionelle model, der tager planetariske cirkulationsmønstre i betragtning, give astronomer mulighed for at bestemme den potentielle beboelighed for fjerne planeter med større nøjagtighed. Som Anthony Del Genio angav:
”Så længe vi kender stjernens temperatur, kan vi estimere, om planeter tæt på deres stjerner har potentialet til at være i den fugtige drivhustilstand. Nuværende teknologi bliver skubbet til grænsen for at detektere små mængder vanddamp i en eksoplanets atmosfære. Hvis der er nok vand til at blive detekteret, betyder det sandsynligvis, at planeten er i den fugtige drivhustilstand. ”
Ud over at tilbyde astronomer en mere omfattende metode til at bestemme eksoplanet-beboeligheden, er denne undersøgelse også gode nyheder for exoplanet-jægere i håb om at finde beboelige planeter omkring stjerner af M-type. Lavmasse, ultra-cool, M-type stjerner er den mest almindelige stjerne i universet og tegner sig for ca. 75% af alle stjerner i Mælkevejen. At vide, at de kunne understøtte beboelige eksoplaneter, øger oddsen for at finde en i høj grad.
Derudover er denne undersøgelse MEGET gode nyheder i betragtning af den nylige forskningsgruppe, der har kastet alvorlig tvivl om stjernerne af M-typen til at være vært for beboelige planeter. Denne undersøgelse blev udført som svar på de mange jordbaserede planeter, der er blevet opdaget omkring de nærliggende røde dværge i de senere år. Hvad de afslørede var, at røde dværgstjerner generelt oplever for meget bluss og kunne stribe deres respektive planeter fra deres atmosfære.
Disse inkluderer 7-planet TRAPPIST-1-systemet (hvoraf tre er placeret i stjernens beboelige zone) og den nærmeste exoplanet til solsystemet, Proxima b. Det store antal jordlignende planeter, der blev opdaget omkring stjerner af M-type, kombineret med denne klasse af stjernens naturlige levetid, har ført mange i det astrofysiske samfund til at vove sig om, at røde dværgstjerner måske er det mest sandsynlige sted at finde beboelige exoplaneter.
Med denne seneste undersøgelse, der viser, at disse planeter trods alt kunne være beboelige, ser det ud til, at bolden faktisk er tilbage i deres domstol!
