På trods af de tusinder af exoplaneter, der er blevet opdaget af astronomer i de senere år, er det en stor udfordring at afgøre, om nogen af dem er beboelige. Da vi ikke kan studere disse planeter direkte, er forskere tvunget til at lede efter indirekte indikationer. Disse er kendt som biosignaturer, som består af de kemiske biprodukter, vi forbinder med organisk liv, der vises i en planetens atmosfære.
En ny undersøgelse foretaget af et team af forskere fra NASA foreslår en ny metode til at søge efter potentielle livstegn ud over vores solsystem. Nøglen, de anbefaler, er at drage fordel af hyppige stjernestorme fra kølige, unge dværgstjerner. Disse storme kaster enorme skyer af stjernemateriale og stråling ud i rummet og interagerer med eksoplanet-atmosfærer og producerer biosignaturer, der kunne opdages.
Undersøgelsen med titlen “Atmosfæriske livskræfter fra eksoplaneter omkring G og K-stjerner”, dukkede for nylig op i Naturvidenskabelige rapporter. Anført af Vladimir S. Airapetian, en senior astrofysiker ved Heliophysics Science Division (HSD) ved NASA Goddard Space Flight Center, teamet inkluderede medlemmer fra NASAs Langley Research Center, Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) og det amerikanske universitet .
Traditionelt har forskere søgt efter tegn på ilt og metan i eksoplanet-atmosfærer, da dette er velkendte biprodukter af organiske processer. Over tid ophobes disse gasser og når mængder, der kunne detekteres ved hjælp af spektroskopi. Denne tilgang er imidlertid tidskrævende og kræver, at astronomer tilbringer dage med at prøve at observere spektre fra en fjern planet.
Men ifølge Airapetian og hans kolleger er det muligt at søge efter grovere underskrifter på potentielt beboelige verdener. Denne fremgangsmåde ville stole på eksisterende teknologi og ressourcer og ville tage betydeligt mindre tid. Som Airapetian forklarede i en NASA-pressemeddelelse:
”Vi søger efter molekyler dannet ud fra grundlæggende forudsætninger for livet - specifikt molekylært nitrogen, som er 78 procent af vores atmosfære. Dette er basiske molekyler, der er biologisk venlige og har stærk infrarød udsendende kraft, hvilket øger vores chance for at detektere dem. ”
Ved at bruge livet på Jorden som en skabelon, designet Airapetian og hans team en ny metode til at se eller tegn på vanddamp, nitrogen og iltgasbiprodukter i eksoplaneter atmosfære. Det virkelige trick er imidlertid at drage fordel af de slags ekstreme rumvejrbegivenheder, der opstår med aktive dværgstjerner. Disse begivenheder, som udsætter planetariske atmosfærer for udbrud af stråling, forårsager kemiske reaktioner, som astronomer kan plukke på.
Når det kommer til stjerner som vores sol, en gul dværg af G-type, er sådanne vejrbegivenheder almindelige, når de stadig er unge. Det er imidlertid kendt, at andre gule og orange stjerner forbliver aktive i milliarder af år og producerer storme af energiske, ladede partikler. Og M-type (rød dværg) stjerner, den mest almindelige type i universet, forbliver aktive i hele deres lange levetid og udsætter periodisk deres planeter for mini-fakler.
Når disse når en exoplanet, reagerer de med atmosfæren og forårsager den kemiske dissociation af nitrogen (N²) og ilt (O²) i enkeltatomer og vanddamp til brint og ilt. De nedbrydede nitrogen- og iltatomer forårsager derefter en kaskade af kemiske reaktioner, der producerer hydroxyl (OH), mere molekylært ilt (O) og nitrogenoxid (NO) - hvad forskere kalder "atmosfæriske fyrtårne".
Når stjernelys rammer en planetens atmosfære, absorberer disse fyrmolekyler energien og udsender infrarød stråling. Ved at undersøge de særlige bølgelængder af denne stråling er videnskabsmænd i stand til at bestemme, hvilke kemiske elementer der er til stede. Disse elementers signalstyrke er også en indikation af atmosfærisk tryk. Samlet tillader disse aflæsninger forskere at bestemme en atmosfære densitet og sammensætning.
I årtier har astronomer også brugt en model til at beregne, hvordan ozon (O³) dannes i Jordens atmosfære fra ilt, der er udsat for solstråling. Ved hjælp af samme model - og sammenkobling med rumvejrbegivenheder, der forventes fra kølige, aktive stjerner - forsøgte Airapetian og hans kolleger at beregne, hvor meget nitrogenoxid og hydroxyl der ville danne sig i en jordlignende atmosfære, og hvor meget ozon ville blive ødelagt .
For at opnå dette konsulterede de data fra NASAs Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED) -mission, som har studeret dannelsen af beacons i Jordens atmosfære i årevis. Specifikt brugte de data fra dens Sounding of the Atmosphere ved hjælp af SABRE-instrumentet (Broadband Emission Radiometry), som gjorde det muligt for dem at simulere, hvordan infrarøde observationer af disse beacons kunne vises i eksoplanet-atmosfærer.
Som Martin Mlynczak, den SABER associerede hovedundersøger ved NASAs Langley Research Center og en medforfatter af papiret, angav:
“Når vi tager det, vi ved om infrarød stråling udsendt fra Jordens atmosfære, er ideen at se på exoplaneter og se, hvilken slags signaler vi kan registrere. Hvis vi finder exoplanetsignaler i næsten samme andel som Jordens, kan vi sige, at planeten er en god kandidat til at være vært for livet. ”
Hvad de fandt, var, at hyppigheden af intense stjernestorme var direkte relateret til styrken af varmesignalerne fra de atmosfæriske beacons. Jo mere storm der forekommer, desto flere skabes molekyler, hvilket genererer et signal, der er stærkt nok til at kunne observeres fra Jorden med et rumteleskop og baseret på kun to timers observationstid.
De fandt også, at denne form for metode kan luke ud exoplaneter, der ikke har et jordlignende magnetfelt, der naturligt interagerer med ladede partikler fra solen. Tilstedeværelsen af et sådant felt er det, der sikrer, at en planetes atmosfære ikke fjernes, og derfor er væsentlig for beboelsesområdet. Som Airapetian forklarede:
”En planet har brug for et magnetfelt, der beskytter atmosfæren og beskytter planeten mod stjernestorme og stråling. Hvis stjernevindene ikke er så ekstreme, at de komprimerer en eksoplanets magnetfelt tæt på dens overflade, forhindrer magnetfeltet atmosfærisk flugt, så der er flere partikler i atmosfæren og et stærkere resulterende infrarødt signal. ”
Denne nye model er vigtig af flere grunde. På den ene side viser det, hvordan forskning, der har muliggjort detaljerede undersøgelser af Jordens atmosfære, og hvordan den interagerer med rumvejr, nu bliver sat i retning af studiet af eksoplaneter. Det er også spændende, fordi det kunne give mulighed for nye undersøgelser af eksoplanet-bevarelighed omkring bestemte klasser af stjerner - lige fra mange typer gule og orange stjerner til kølige, røde dværgstjerner.
Røde dværge er den mest almindelige type stjerne i universet og tegner sig for 70% af stjernerne i spiralgalakser og 90% i elliptiske galakser. Hvad mere er, baseret på nylige opdagelser, estimerer astronomer, at røde dværgstjerner meget sandsynligt har systemer med stenede planeter. Forskerteamet forventer også, at næste generations ruminstrumenter som James Webb Space Telescope øger sandsynligheden for at finde beboelige planeter ved hjælp af denne model.
Som William Danchi, en Goddard senior astrofysiker og medforfatter til undersøgelsen, sagde:
”Ny indsigt i potentialet for liv på exoplaneter afhænger kritisk af tværfaglig forskning, hvor data, modeller og teknikker udnyttes fra NASA Goddards fire videnskabsafdelinger: heliofysik, astrofysik, planetarisk og jordvidenskab. Denne blanding producerer unikke og kraftfulde nye veje til exoplanet-forskning. ”
Indtil det tidspunkt, hvor vi er i stand til at studere eksoplaneter direkte, er enhver udvikling, der gør biosignaturer mere synlig og lettere at opdage, utroligt værdifuld. I de kommende år håber Project Blue og Breakthrough Starshot på at gennemføre de første direkte undersøgelser af Alpha Centauri-systemet. Men i mellemtiden er forbedrede modeller, der giver os mulighed for at undersøge utallige andre stjerner for potentielt beboelige exoplaneter, gyldne!
Ikke kun vil de i vid udstrækning forbedre vores forståelse af, hvor almindelige sådanne planeter er, de kan måske bare pege os i retning af en eller flere Earth 2.0s!
