Når vi ser på fremtiden, har NASA og andre rumfartsbureauer store forhåbninger til området for solcelleanlægsundersøgelser. I det sidste årti er antallet af kendte exoplaneter nået bare blygende på 4000, og mange flere forventes at blive fundet, når næste generations teleskoper er taget i brug. Og med så mange eksoplaneter at studere, er forskningsmål langsomt skiftet væk fra opdagelsesprocessen og hen imod karakterisering.
Desværre er forskere stadig plaget af, at det, vi betragter som en ”beboelig zone”, er underlagt en række antagelser. For at imødegå dette offentliggjorde et internationalt team af forskere for nylig et dokument, hvor de angav, hvordan fremtidige eksoplanetundersøgelser kunne se ud over jordanalogiske eksempler som indikationer på beboelsesevne og anvende en mere omfattende tilgang.
Papiret, med titlen "Habitable Zone predictions and how to test them", dukkede for nylig online og blev forelagt som en hvidbog til Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Holdet bag det blev ledet af Ramses M. Ramirez, en forsker med Earth-Life Science Institute (ELSI) og Space Science Institute (SSI), som blev sammensat af medforfattere og medunderskrivere fra 23 universiteter og institutioner.
Formålet med decadal-undersøgelsen er at overveje tidligere gjort fremskridt inden for forskellige forskningsområder og at sætte prioriteringer for det kommende årti. Undersøgelsen giver som sådan afgørende vejledning til NASA, National Space Foundation (NSF) og Energiministeriet, når de planlægger deres astronomi- og astrofysiske forskningsmål for fremtiden.
På nuværende tidspunkt fokuserer mange af disse mål på studiet af eksoplaneter, som i de kommende år vil drage fordel af installationen af næste generations teleskoper som f.eks. James Webb-rumteleskop (JWST) og Infrarødt rumteleskop med bred felt (WFIRST) samt jordbaserede observatorier som det ekstremt store teleskop (ELT), det tretti meter teleskop og det gigantiske magellan-teleskop (GMT).
En af de overordnede prioriteter inden for exoplanet-forskning er på udkig efter planeter, hvor der kan eksistere udenjordisk liv. I denne henseende udpeger forskere planeter som værende ”potentielt beboelige” (og derfor værdige til opfølgningsobservationer) baseret på, hvorvidt de går i deres stjerners beboelige zoner eller ikke. Af denne grund er det forsigtigt at se på, hvad der skal til at definere en HZ.
Som Ramirez og hans kolleger indikerede i deres papir, er et af de største problemer med eksoplanet-beboeligheden niveauet for antagelser. For at nedbryde det antager de fleste definitioner af HZ'er tilstedeværelsen af vand på overfladen, da dette er det eneste opløsningsmiddel, der i øjeblikket er kendt for at være vært. Disse samme definitioner antager, at livet kræver en stenet planet med tektonisk aktivitet, der kredser om en passende lys og varm stjerne.
Nyere forskning har imidlertid tvivlet på mange af disse antagelser. Dette inkluderer undersøgelser, der viser, hvordan atmosfærisk ilt ikke automatisk betyder tilstedeværelsen af liv - især hvis dette ilt er resultatet af kemisk dissociation og ikke fotosyntesen. Anden forskning har vist, hvordan tilstedeværelsen af iltgas i de tidlige perioder af en planetens udvikling kunne forhindre stigningen i basale livsformer.
Der har også været for nylig undersøgelser, der har vist, hvordan pladetektonik muligvis ikke er nødvendig for, at livet kan dukke op, og at såkaldte ”vandverdener” muligvis ikke er i stand til at understøtte livet (men stadig kunne). Oven på alt dette har du teoretisk arbejde, der antyder, at livet kan udvikle sig i hav af metan eller ammoniak på andre himmellegemer.
Det centrale eksempel her er Saturns måne Titan, der kan prale af et miljø, der er rig på prebiotiske tilstande og organisk kemi - som nogle forskere mener kunne understøtte eksotiske livsformer. I sidste ende søger forskere efter kendte biomarkører som vand og kuldioxid, fordi de er forbundet med livet på Jorden, det eneste kendte eksempel på en livsbærende planet.
Men som Ramirez forklarede til Space Magazine via e-mail, er denne tankegang (hvor jordanaloger betragtes som egnet til livet) stadig fyldt med problemer:
”Den klassiske beboelseszone-definition er mangelfuld, fordi dens konstruktion hovedsageligt er baseret på jordcentriske klimatologiske argumenter, der måske eller måske ikke finder anvendelse på andre potentielt beboelige planeter. F.eks. Antager den, at multi-bar CO2-atmosfærer kan understøttes på potentielt beboelige planeter nær den beboelige zone ydre kant. Imidlertid er sådanne høje CO2-niveauer giftige for jordplanter og dyr, og derfor uden en bedre forståelse af livets grænser ved vi ikke, hvor rimelig denne antagelse er.
”Den klassiske HZ antager også, at CO2 og H2O er de vigtigste drivhusgasser, der opretholder potentielt beboelige planeter, men adskillige undersøgelser i de senere år har udviklet alternative HZ-definitioner ved hjælp af forskellige kombinationer af drivhusgasser, herunder dem, som, selv om de er relativt små på Jorden, kunne være vigtig for andre potentielt beboelige planeter. ”
I en tidligere undersøgelse af Dr. Ramirez viste, hvordan tilstedeværelsen af metan og brintgas også kunne forårsage
Heldigvis har disse definitioner mulighed for at blive testet takket være installationen af næste generations teleskoper. Ikke kun vil videnskabsmænd være i stand til at teste nogle af de langvarige antagelser, som HZ'er bygger på,
”Næste generation af teleskoper kunne teste den beboelige zone ved at søge efter en forventet stigning i det atmosfæriske CO2-tryk, jo længere væk som potentielt beboelige planeter er fra deres stjerner. Dette ville også teste, om karbonatsilikatcyklussen, som mange mener har holdt vores planet beboelig i meget af sin historie, er en universel proces eller ikke. ”
I denne proces omdannes silicatklipper til kulstofarter ved forvitring og erosion, mens kulstofklipper omdannes til silikatklipper gennem vulkansk og geologisk aktivitet. Denne cyklus sikrer den langsigtede stabilitet i Jordens atmosfære ved at holde CO2-niveauerne konsistente over tid. Det illustrerer også, hvordan vand og pladetektonik er vigtige for livet, som vi kender det.
Imidlertid kan denne type cyklus kun findes på planeter, der har jord, som effektivt udelukker "vandverdener". Disse eksoplaneter - som kan være almindelige omkring stjerner af M-type (rød dværg) antages at være op til 50% vand efter masse. Med denne mængde vand på deres overflader har "vandverdener" sandsynligvis tætte islag ved deres kerne-mantelgrænse, hvilket således forhindrer hydrotermisk aktivitet.
Men som allerede bemærket, er der noget forskning, der indikerer, at disse planeter stadig kunne være beboelige. Mens overflod af vand ville forhindre optagelse af kuldioxid af klipper og undertrykke vulkansk aktivitet, har simuleringer vist, at disse planeter stadig kunne cyklere kulstof mellem atmosfæren og havet og således holde klimaet stabilt.
Hvis disse typer havverdener findes, siger Dr. Ramirez, kunne forskere registrere dem gennem deres lavere planetdensitet og højtryksatmosfære. Og så er der spørgsmålet om forskellige drivhusgasser, som ikke altid er en indikation af varmere planetariske atmosfærer, afhængigt af stjernetypen.
”Selvom metan varmer vores planet, fandt vi, at metan faktisk afkøler overfladerne på beboelige zoneplaneter, der kredser om røde dværgstjerner!” han sagde. ”Hvis det er tilfældet, kan høje atmosfæriske metanmængder på sådanne planeter betyde frosne forhold, der måske er uegnede til at være livslang. Vi vil være i stand til at observere dette i planetariske spektre. ”
Når vi taler om røde dværge, raser debatten om, hvorvidt planeter, der kredser om disse stjerner, ville være i stand til at opretholde en atmosfære. I de sidste par år er der blevet opdaget flere opdagelser, der antyder, at stenede, tidligt låste planeter er almindelige omkring røde dværgstjerner, og at de kredser inden for deres stjerners respektive HZ'er.
Efterfølgende forskning har imidlertid forstærket teorien om, at ustabiliteten af røde dværgstjerner sandsynligvis vil resultere i solbrændere, der ville stribe alle planeter, der kredser rundt om deres atmosfære. Til sidst rejser Ramirez og hans kolleger muligheden for, at man kan finde beboelige planeter, der kredser omkring det, der (indtil for nylig) er blevet betragtet som en usandsynlig kandidat.
Disse ville være hovedsekvenser af type A-stjerner - som Sirius A, Altair og Vega - som blev antaget at være for lyse og varme til at være egnede til beboelsesmuligheder. Sagde Dr. Ramirez om denne mulighed:
”Jeg er også interesseret i at finde ud af, om der findes liv på beboelige zoneplaneter, der kredser om A-stjerner. Der har ikke været mange publicerede vurderinger af A-stjerners planetariske beboelsesevne, men nogle af næste generations arkitekturer planlægger at observere dem. Vi vil snart lære mere om A-stjerners egnethed til livet. ”
I sidste ende vil undersøgelser som denne, der sætter spørgsmålstegn ved definitionen af ”beboelig zone”, være nyttige, når næste generations missioner påbegynder videnskabelige operationer. Med deres højere opløsning og mere følsomme instrumenter vil de være i stand til at teste og validere mange af de forudsigelser, der er foretaget af forskere.
Disse test vil også bekræfte, om der kun kunne eksistere liv derude, som vi kender det, eller også ud over de parametre, som vi betragter som ”Jordlignende”. Men som Ramirez tilføjede, fremhæver den undersøgelse, som han og hans kolleger gennemførte, lige så vigtigt det er, at vi fortsætter med at investere i avanceret teleskopteknologi:
”Vores papir understreger også vigtigheden af en fortsat investering i avanceret teleskopteknologi. Vi skal være i stand til at finde og karakterisere så mange beboelige zoneplaneter som muligt, hvis vi ønsker at maksimere vores chancer for at finde liv. Jeg håber dog også, at vores papir inspirerer folk til at drømme ud over kun de næste 10 år. Jeg tror virkelig, at der efterhånden vil være missioner, der vil være langt mere dyrebare end noget, vi i øjeblikket designer. Vores nuværende indsats er bare begyndelsen på en meget mere engageret indsats for vores arter. ”
Mødet i Decadal Survey i 2020 afholdes i fællesskab af bestyrelsen for fysik og astronomi og rumstudierådet for National Academy of Sciences og vil blive efterfulgt af en rapport, der vil blive frigivet ca. to år fra nu.
