For at blive betragtet som beboelig skal en planet have flydende vand. Celler, den mindste enhed i livet, har brug for vand for at udføre deres funktioner. For at der findes flydende vand, er klodens temperatur nødt til at være korrekt. Men hvad med størrelsen på planeten?
Uden tilstrækkelig masse vil en planet ikke have nok tyngdekraft til at holde fast i sit vand. En ny undersøgelse forsøger at forstå, hvordan størrelse påvirker en planets evne til at holde fast i sit vand, og som et resultat, dens beboelsesevne.
Spørgsmålet om hvad der kan gøre en planet beboelig er en løbende debat. Ikke kun for eksoplaneter, men for nogle af månerne i vores eget solsystemes fremtid. Forskere har en ret god idé om, hvor meget energi en planet har brug for at modtage fra sin stjerne for at opretholde flydende vand. Det har givet anledning til den populære opfattelse af "Guldlåsezone" eller den omkringliggende beboelige zone, en rækkevidde, der hverken er for tæt eller for langt fra en stjerne til, at flydende vand kan fortsætte på en planet.
Med søgningen efter eksoplaneter i beboelige zoner, der springer op, og når vi får bedre teleskoper og teknikker til at studere eksoplaneter mere detaljeret, har forskere brug for flere begrænsninger for, hvilke planeter de skal bruge på at observere ressourcer på. Som dette papir viser, kan en planetmasse være et nyttigt filter.
Det nye papir har titlen "Atmosfærisk udvikling på vandværker med lav tyngdekraft." Det er offentliggjort i The Astrophysical Journal. Ledende forfatter er Constantin W. Arnscheidt, gradestudent hos MIT.
For at opretholde flydende vand på dens overflade og en atmosfære, skal en exoplanet eller en exomoon have tilstrækkelig masse, ellers vil vand og atmosfære simpelthen flyde ud i rummet. Og det er nødt til at holde fast i sit vand længe nok til, at livet kan vises. Astronomer bruger en ballpark-figur på en milliard år for at det skal ske.
”Når folk tænker på de indre og ydre kanter af den beboelige zone, har de en tendens til kun at tænke på det rumligt, hvilket betyder, hvor tæt planeten er på stjernen,” sagde Constantin Arnscheidt, første forfatter af papiret. ”Men faktisk er der mange andre variabler til beboelsesevne, inklusive masse. At indstille en nedre grænse for beboelighed med hensyn til planetstørrelse giver os en vigtig begrænsning i vores løbende jagt på beboelige exoplaneter og eksomoner. ”
Størrelsen og området for den beboelige zone afhænger af stjernen. En mindre, mindre energisk stjerne som en rød dværg skaber en beboelig zone tættere på sig selv end en større stjerne som vores sol. Dette er godt forstået. Hvis en planet er for langt fra stjernen, fryser vandet. For tæt, og den løbende drivhuseffekt sker, og vandet bliver til damp og kan koge væk i rummet.
Men for små planeter med lavere masse er der mere der foregår. De kan muligvis modstå den løbende drivhuseffekt.
Når en planet med lavere masse varmer, udvides atmosfæren. Den bliver større i forhold til størrelsen på planeten, den omgiver. Det har to effekter: den øgede overfladestørrelse betyder, at atmosfæren kan absorbere mere energi, end den plejede at gøre, og den kan også udstråle mere energi, end den plejede at gøre.
Det samlede resultat af dette er ifølge forskerne, at den udvidede atmosfære blokerer for den løbende drivhuseffekt, og at de kan bevare deres overfladevand. Dette betyder, at de kan være tættere på deres stjerne uden at miste vandet og derved udvide Goldilocks-zonen til mindre eksoplaneter.
Der er selvfølgelig en grænse. Hvis en planet med lav masse er for lille, vil den ikke have tilstrækkelig tyngdekraft, og atmosfæren vil blive fjernet væk, og vandet vil enten blive strippet væk med det eller frosset på overfladen. Det betyder, at udsigterne for livet er svage. Forskerne siger, at der er en kritisk nedre grænse for en planet at være beboelig. Det betyder, at der ikke kun er et bånd med nærhed til stjernen, der bestemmer en planets beboelighed, der er en størrelsesgrænse.
Kort sagt kan en planet være for lille til at være beboelig, selvom den er i Goldilocks-zonen.
Den kritiske størrelse er ifølge Arnscheidt og de andre forfattere af undersøgelsen 2,7 procent af jordens masse. De siger, at enhver mindre end det, og planeten simpelthen ikke er i stand til at holde fast i sin atmosfære og vand længe nok til, at livet kan vises. For sammenhæng er månen 1,2 procent af jordens masse, og kvikksølv er 5,53 procent.
Forskerne bruger kometlignende planeter som et eksempel. Kometer har masser af vand, som er sublimeret, når de kommer i nærheden af Solen. Men de mangler den krævede masse til at holde fast i den damp, og de kan aldrig danne en atmosfære. Vandet går tabt i rummet. Så en planet, der var for lille, selvom den havde masser af vand, ville aldrig holde fast i den.
Forskerne brugte modeller til at estimere den lave masse planetens beboelige zone omkring to forskellige typer stjerner: en M-type eller rød dværgstjerne og en G-type stjerne som vores sol.
De har muligvis også løst et andet langvarigt spørgsmål om beboelighed i vores eget solsystem. Jupiters måner Ganymede, Callisto og Europa har alle masser af flydende vand, fanget under lag med is. Astronomer har spekuleret på, om de ville være beboelige, når solen udstråler mere energi på et tidspunkt i dens fremtidige fremtid. Men ifølge forfatterens arbejde mangler de masse til at holde fast i det vand, selvom de blev varme nok. Ganymede kommer tæt på, med 2,5% jordmasse, men den er lille nok til at være "kometlignende" og miste alt sit vand til rummet.
"Vandmasser med lav masse er en fascinerende mulighed i søgen efter livet, og dette papir viser, hvor forskellig deres opførsel sandsynligvis vil blive sammenlignet med jordlignende planeter," sagde Robin Wordsworth, lektor i miljøvidenskab og teknik ved SEAS og seniorforfatter af undersøgelsen. "Når observationer for denne klasse af objekter er blevet mulige, vil det være spændende at prøve at teste disse forudsigelser direkte."
Forskerne tog nogle nødvendige antagelser i deres arbejde. De antog, at atmosfæren i deres lavmassede verdener var ren vanddamp. De antog også, at vandet var fikseret til 40% af planetens masse. De ignorerede også visse andre faktorer, såsom CO2-cykling, skydække og havkemi. Der er simpelthen for mange variabler til at modellere i denne fase af deres arbejde.
Forfatterne behandler også ideen om beboelige eksomoner snarere end eksoplaneter. Det kan tænkes, at man i andre solsystemer måske er mere tilbøjelig til at være beboelig end planeter. I dette tilfælde kommer andre faktorer ind, som tidevandskræfter. Det kan især være tilfældet omkring stjerner af M-type eller røde dværge. Det skyldes, at den omkringliggende beboelige zone omkring disse lavenergistjerner allerede er meget tættere på stjernen end omkring en G-type-stjerne som vores sol. De kombinerede tyngdekræfter fra Exomoon, dens planet og stjernen kan muligvis fjerne beboelsesmulighederne helt.
De anerkender også nogle af de mange forskellige andre faktorer, der har indflydelse på brugbarheden. Selvom måner som Ganymedes for eksempel kan være for små til at være beboelige i deres model, kan deres liv meget godt være i deres underjordiske hav, hvor vandet forhindres i at slippe ud af et tykt islag.
Der er meget mere arbejde, der skal gøres med hensyn til at bestemme beboelighed. Som forfatterne siger i deres artikel, "Yderligere arbejde kunne overveje mere komplicerede modeller for hydrodynamisk flugt." Der er mere variation og kompleksitet i eksoplaneter, end vi kender lige nu, men denne undersøgelse begynder at tackle noget af det.
Mere:
- Pressemeddelelse: En guldlåsezone til planetstørrelse
- Forskningsartikel: Atmosfæreudvikling på vandværker med lav tyngdekraft
- Space Magazine: Hvilke beboelige zoner er de bedste til faktisk at søge efter livet?
