Når man jager efter potentielt beboelige eksoplaneter, er en af de vigtigste ting astronomer kigger efter, om eksoplanetkandidater går i deres stjernes beboelige zone eller ej. Dette er nødvendigt for, at der findes flydende vand på en planets overflade, hvilket igen er en forudsætning for livet, som vi kender det. I løbet af opdagelsen af nye eksoplaneter er forskere blevet opmærksomme på et ekstremt tilfælde kendt som ”vandverdener”.
Vandverdener er i det væsentlige planeter, der er op til 50% vand i masse, hvilket resulterer i overfladehav, der kan være hundreder af kilometer dyb. Ifølge en ny undersøgelse foretaget af et team af astrofysikere fra Princeton, University of Michigan og Harvard, kan vandverdener muligvis ikke hænge på deres vand i meget længe. Disse fund kunne have en enorm betydning, når det kommer til jagt på beboelige planeter i kosmoshalsen.
Denne seneste undersøgelse med titlen "Dehydrering af vandverdener gennem atmosfæriske tab", blev for nylig vist i The Astrophysical Journal Letters. Under ledelse af Chuanfei Dong fra Institut for Astrofysiske Videnskaber ved Princeton University gennemførte teamet computersimuleringer, der tog højde for, hvilken slags betingelser vandverdener ville være underlagt.
Denne undersøgelse var stort set motiveret af antallet af eksoplanetopdagelser, der er blevet foretaget omkring lavmasse, M-type (rød dværg) stjernesystemer i de senere år. Disse planeter har vist sig at være sammenlignelige i størrelse med Jorden - hvilket indikerede, at de sandsynligvis var landlige (dvs. klippefyldte). Derudover blev det konstateret, at mange af disse planeter - såsom Proxima b og tre planeter inden for TRAPPIST-1-systemet - kredsede inden for de beboelsesrige zoner.
Efterfølgende undersøgelser viste imidlertid, at Proxima b og andre stenede planeter, der kredser om røde dværgstjerner, faktisk kunne være vandverdener. Dette var baseret på masseestimater, der blev opnået ved astronomiske undersøgelser, og de indbyggede antagelser om, at sådanne planeter var stenede i naturen og ikke havde massive atmosfærer. På samme tid er der blevet produceret adskillige undersøgelser, der har sat tvivl om, hvorvidt disse planeter ville være i stand til at holde fast i deres vand.
Grundlæggende kommer det hele ned på typen af stjerne og planeternes orbitalparametre. Mens langvarige, røde dværgstjerner er kendt for at være variable og ustabile sammenlignet med vores sol, hvilket resulterer i periodiske opblussinger, der ville stribe en planetes atmosfære over tid. Dertil kommer, at planeter, der kredser inden for en rød dværgs beboelige zone, sandsynligvis ville være tidligt fastlåst, hvilket betyder, at den ene side af planeten konstant ville blive udsat for stjernens stråling.
På grund af dette er forskerne fokuseret på at bestemme, hvor godt eksoplaneter i forskellige typer stjernesystemer kan holde fast i deres atmosfære. Som Dr. Dong fortalte Space Magazine via e-mail:
”Det er rimeligt at sige, at tilstedeværelsen af en atmosfære opfattes som et af kravene til en planetenes beboelighed. Når det er sagt, er konceptet om beboelighed et komplekst emne med mange involverede faktorer. Således vil en atmosfære i sig selv ikke være tilstrækkelig til at garantere levedygtighed, men den kan betragtes som en vigtig ingrediens for, at en planet kan være beboelig. ”
For at teste, om en vandverden kunne holde fast i sin atmosfære, gennemførte teamet computersimuleringer, der tog hensyn til en række mulige scenarier. Disse inkluderede virkningerne af stjernemagnetiske felter, udsprøjtning af koronal masse og atmosfærisk ionisering og udsprøjtning for forskellige typer stjerner - inklusive stjerner af G-typen (som vores sol) og stjerner af M-typen (som Proxima Centauri og TRAPPIST-1).
Med disse effekter, der blev redegjort for, udledte Dr. Dong og hans kolleger en omfattende model, der simulerede, hvor længe eksoplanet-atmosfærer ville vare. Som han forklarede det:
”Vi udviklede en ny multi-fluid magnetohydrodynamisk model. Modellen simulerede både ionosfæren og magnetosfæren som helhed. På grund af eksistensen af et dipolmagnetisk felt kan den stjernevind ikke feje atmosfæren direkte væk (som Mars på grund af fraværet af et globalt dipolmagnetisk felt), i stedet blev atmosfæret iontabet forårsaget af den polare vind.
”Elektronerne er mindre massive end deres forældreioner, og som et resultat accelereres de lettere op til og ud over planetens flugthastighed. Denne ladningsseparation mellem de udstrømmende elektroner med lav masse og væsentligt tyngre, positivt ladede ioner skaber et elektrisk polarisationsfelt. Det elektriske felt fungerer til gengæld for at trække de positivt ladede ioner med bag de undslipende elektroner ud af atmosfæren i polarhætterne. ”
Hvad de fandt, var, at deres computersimuleringer var i overensstemmelse med det nuværende Earth-Sun-system. I nogle ekstreme muligheder - såsom eksoplaneter omkring stjerner af M-type - er situationen imidlertid meget anderledes, og flugtfrekvensen kan være tusind gange større eller mere. Resultatet betyder, at selv en vandverden, hvis den kredser om en rød dværgstjerne, kunne miste sin atmosfære efter cirka et gigayear (Gyr), en milliard år.
I betragtning af at livet som vi kender det tog omkring 4,5 milliarder år at udvikle sig, er en milliard år et relativt kort vindue. Som Dr. Dong forklarede, indikerer disse resultater faktisk, at planeter, der kredser rundt om stjerner af M-typen, ville være hårdt pressede for at udvikle liv:
”Vores resultater indikerer, at havplaneterne (der kredser om en sollignende stjerne) vil beholde deres atmosfærer meget længere end Gyr-tidsskalaen, da ionudslipshastighederne er alt for lave, derfor tillader det en længere levetid at komme fra disse planeter og udvikle sig med hensyn til kompleksitet. I modsætning hertil kunne eksoplaneter, der kredser om M-dværge, få deres oceaner udtømt over Gyr-tidsskalaen på grund af de mere intense partikel- og strålingsmiljøer, som exoplaneter oplever i tæt beboelige zoner. Hvis atmosfæren skulle udtømmes i tidsskalaen mindre end Gyr, kunne dette vise sig at være problematisk for livets oprindelse (abiogenese) på planeten. ”
Endnu en gang er disse resultater i tvivl om den potentielle levedygtighed af røde dværgstjernesystemer. Tidligere har forskere indikeret, at levetiden for røde dværgstjerner, som kan forblive i deres hovedsekvens i op til 10 billioner år eller længere, gør dem til den bedste kandidat til at finde beboelige eksoplaneter. Imidlertid synes stabiliteten af disse stjerner og den måde, hvorpå de sandsynligvis vil stribe planeter fra deres atmosfære, tyder på noget andet.
Undersøgelser som denne er derfor meget betydningsfulde, idet de hjælper med at adressere, hvor længe en potentielt beboelig planet omkring en rød dværgstjerne kan forblive potentielt beboelig. Dong angav:
”I betragtning af betydningen af atmosfærisk tab på planetarisk beboelsesevne har der været en stor interesse i at bruge teleskoper som det kommende James Webb-rumteleskop (JWST) til at afgøre, om disse planeter har atmosfærer, og i bekræftende fald, hvordan deres sammensætning er . Det forventes, at JWST skal være i stand til at karakterisere disse atmosfærer (hvis de er til stede), men at kvantificere flugthastighederne nøjagtigt kræver en meget højere grad af præcision og er muligvis ikke mulig i den nærmeste fremtid. ”
Undersøgelsen er også vigtig for så vidt angår vores forståelse af solsystemet og dens udvikling. På en tid har forskere turdet, at både Jorden og Venus måske har været vandverdener. Hvordan de gjorde overgangen fra at være meget vandig til hvad de er i dag - i tilfælde af Venus, tør og helvede; og i tilfælde af Jorden, der har flere kontinenter - er et meget vigtigt spørgsmål.
I fremtiden forventes mere detaljerede undersøgelser, der kan hjælpe med at belyse disse konkurrerende teorier. Når James Webb-rumteleskopet (JWST) er indsat i foråret 2018, vil det bruge sine kraftige infrarøde kapaciteter til at studere planeter omkring de nærliggende røde dværge, hvor Proxima b er en af dem. Hvad vi lærer om dette og andre fjerne exoplaneter vil gå langt i retning af at informere vores forståelse af, hvordan vores eget solsystem også udviklede sig.
