Prilikom lova na potencijalno useljive egzoplanete, jedna od najvažnijih stvari koju astronomi traže je da li kandidati za egzoplanetu orbitiraju ili ne idu unutar naseljene zone svoje zvijezde. Ovo je potrebno da tekuća voda postoji na površini planeta, a to je preduvjet za život kakav ga poznajemo. Međutim, tijekom otkrivanja novih egzoplaneta, znanstvenici su postali svjesni ekstremnog slučaja poznatog kao "vodeni svjetovi".
Vodeni svjetovi u osnovi su planeti koji sadrže masu do 50% vode, što rezultira površinskim oceanima koji bi mogli biti duboki stotinama kilometara. Prema novoj studiji tima astrofizičara s Princetona, Sveučilišta u Michiganu i Harvardu, vodeni svjetovi možda neće moći dugo zadržati svoju vodu. Ova otkrića mogla bi biti od ogromnog značaja kada je u pitanju lov na useljive planete u našem vratu kosmosa.
Ova najnovija studija pod nazivom „Dehidratacija vodenih svjetova putem atmosferskih gubitaka“ nedavno se pojavila u časopisu Astrophysical Journal Letters. Vodio Chuanfei Dong s Odjela za astrofizičke znanosti na Sveučilištu Princeton, tim je izveo računalne simulacije koje su uzele u obzir kakvim uvjetima podliježu vodeni svjetovi.
Ova je studija uvelike motivirana brojem otkrića egzoplaneta koji su napravljeni oko zvjezdanih sustava niske mase, tipa M (crveni patuljak). Otkriveno je da su ove planete po veličini usporedive sa Zemljom - što je ukazivalo da su vjerojatno zemaljske (tj. Stjenovite). Pored toga, za mnoge od ovih planeta - poput Proxime b i tri planete unutar sustava TRAPPIST-1 - bilo je u orbiti oko zone za stanovanje zvijezda.
Međutim, kasnija istraživanja pokazala su da bi Proxima b i drugi kameni planeti koji orbitiraju oko zvijezda crvenih patuljaka zapravo mogli biti vodeni svjetovi. To se temeljilo na masovnim procjenama dobivenim astronomskim istraživanjima, te na ugrađenim pretpostavkama da su takvi planeti kamenite prirode i da nemaju masivnu atmosferu. Istodobno, napravljene su brojne studije koje su dovodile u sumnju hoće li se ovi planeti moći zadržati na vodi.
U osnovi se sve svodi na vrstu zvijezda i orbitalne parametre planeta. Iako su dugovječne zvijezde crvenih patuljaka poznate po tome što su promjenjive i nestabilne u usporedbi s našim Suncem, što rezultira periodičnim bljeskovima koji bi vremenom oduzeli atmosferu planeta. Povrh toga, planete koje se kreću u zoni stanovanja crvenog patuljka vjerojatno će biti ukočeno zaključene, što znači da će jedna strana planete biti stalno izložena zračenju zvijezde.
Zbog toga su znanstvenici usredotočeni na utvrđivanje koliko bi se egzoplaneti u različitim vrstama zvjezdanih sustava mogli držati na svojim atmosferama. Kao što je dr. Dong rekao za Space Magazine e-poštom:
„Pošteno je reći da se prisutnost atmosfere doživljava kao jedan od uvjeta za stanovanje planeta. Kad je to rekao, koncept prihvatljivosti je složen s uključenim bezbroj faktora. Stoga, atmosfera sama po sebi neće biti dovoljna da osigura zaživljavanje, ali može se smatrati važnim sastojkom da planet može biti useljiv. "
Kako bi testirali hoće li se vodeni svijet moći zadržati u svojoj atmosferi, tim je izveo računalne simulacije koje su uzele u obzir različite moguće scenarije. Oni uključuju učinke zvjezdanih magnetskih polja, izbacivanje koronalnih masa, atmosfersku ionizaciju i izbacivanje za razne vrste zvijezda - uključujući zvijezde tipa G (poput našeg Sunca) i zvijezde M-tipa (poput Proxima Centauri i TRAPPIST-1).
Uzimajući u obzir ove učinke, dr. Dong i njegovi kolege stvorili su sveobuhvatan model koji je simulirao koliko dugo će trajati atmosfera egzoplaneta. Kako je objasnio:
„Razvili smo novi više fluidni magnetohidrodinamički model. Model je simulirao i ionosferu i magnetosferu u cjelini. Zbog postojanja dipolskog magnetskog polja, zvjezdani vjetar ne može izravno zbrisati atmosferu (poput Marsa zbog nedostatka globalnog dipolnog magnetskog polja), umjesto toga, gubitak atmosferskih jona uzrokovao je polarni vjetar.
"Elektroni su manje masivniji od svojih matičnih iona, i kao rezultat toga, lakše se ubrzavaju do i izvan brzine bijega planeta. Ovo razdvajanje naboja između bježećih, elektrona male mase i značajno težih, pozitivno nabijenih iona, postavlja polarizacijsko električno polje. To električno polje zauzvrat djeluje izvlačeći pozitivno nabijene ione iza izalazećih elektrona iz atmosfere u polarnim kapama. "
Otkrili su kako su njihove računalne simulacije bile u skladu s trenutnim sustavom Zemlja-Sunce. Međutim, u nekim ekstremnim mogućnostima - poput egzoplaneta oko zvijezda M-tipa - situacija je vrlo različita i stope bijega mogu biti tisuću i više puta veće. Rezultat toga znači da čak i vodeni svijet, ako obilazi zvijezdu crvenog patuljaka, može izgubiti atmosferu nakon otprilike jedne gigayear-ove (Gyr), milijardu godina.
S obzirom na to da je za život kakav znamo znamo da je evoluiralo oko 4,5 milijardi godina, milijarda godina je relativno kratak okvir. U stvari, kako je objasnio dr. Dong, ovi rezultati ukazuju na to da bi planete koje okružuju zvijezde M-a teško pritisnule za razvoj života:
"Naši rezultati pokazuju da će okeanski planeti (koji kruže oko zvijezde nalik Suncu) zadržati atmosferu mnogo duže od vremenske skale Gyr jer su stope bijega iona daleko preniske, pa omogućava dulje trajanje života na ovim planetima i razvijaju se složeno. Suprotno tome, za egzoplanete u orbiti M-patuljaka, njihovi oceani bi mogli biti iscrpljeni iznad vremenskog raspona Gyr zbog intenzivnijeg okruženja čestica i zračenja koje egzoplaneti doživljavaju u bliskim naseljenim zonama. Ako bi se atmosfera smanjila tijekom vremena manjeg od Gyr-a, to bi se moglo pokazati problematičnim za početak života (abiogeneza) na planeti. "
Opet, ovi rezultati dovode u sumnju potencijalnu prihvatljivost sustava crvenih patuljaka. U prošlosti su istraživači naznačili da ih dugovječnost zvijezda crvenih patuljaka, koja mogu ostati u njihovom glavnom slijedu i do 10 trilijuna godina ili duže, čini najboljim kandidatom za pronalazak egzoplaneta koji su pogodni za život. Međutim, izgleda da stabilnost ovih zvijezda i način na koji će vjerojatno oduzeti planete njihove atmosfere govore drugačije.
Istraživanja poput ove su stoga vrlo značajna jer pomažu u rješavanju koliko dugo potencijalno naseljeni planet oko zvijezde crvenog patuljaka može ostati potencijalno useljiv. Dong naznačeno:
"S obzirom na važnost atmosferskih gubitaka na planetarno stanište, postojalo je veliko zanimanje za korištenje teleskopa poput budućeg svemirskog teleskopa James Webb (JWST) kako bi se utvrdilo imaju li ovi planeti atmosferu i, ako jest, kakav je njihov sastav , Očekuje se da bi JWST trebao biti u stanju karakterizirati ove atmosfere (ako postoje), ali za kvantitativno određivanje stope bijega potrebno je puno veći stupanj preciznosti i možda neće biti izvedivo u skoroj budućnosti. "
Ova je studija također značajna što se tiče našeg razumijevanja Sunčevog sustava i njegove evolucije. U jednom trenutku, znanstvenici su shvatili da su i Zemlja i Venera možda vodeni svjetovi. Kako su napravili prijelaz od vrlo vodenaste do onoga što danas jesu - u slučaju Venere, suho i pakleno; a u slučaju Zemlje imati više kontinenata sve je važno pitanje.
U budućnosti se očekuju detaljnija istraživanja koja bi mogla pomoći u rasvjetljavanju ovih konkurentskih teorija. Kada se James Webb svemirski teleskop (JWST) postavi u proljeće 2018., on će koristiti svoje moćne infracrvene mogućnosti za proučavanje planeta oko obližnjih crvenih patuljaka, a Proxima b je jedan od njih. Ono što naučimo o ovoj i drugim dalekim egzoplanetima ići će dosta naprijed prema informiranju našeg razumijevanja o tome kako se razvijao i naš vlastiti Sunčev sustav.
