Beläget i hjärtat av NASA Center for Climate Simulation (NCCS) - en del av NASA: s Goddard Space Flight Center - ligger Discover-superdatorn, ett 129 000-kärnigt kluster av Linux-baserade processorer. Denna superdator, som kan utföra 6,8 petaflops (6,8 biljoner) operationer per sekund, har till uppgift att köra sofistikerade klimatmodeller för att förutsäga hur jordens klimat kommer att se ut i framtiden.
NCCS har emellertid också börjat ägna en del av Discovers superdator för att förutsäga hur förhållandena kan vara på någon av de över 4 000 planeter som har upptäckts bortom vårt solsystem. Inte bara har dessa simuleringar visat att många av dessa planeter kan vara bebodda, de är ytterligare bevis på att våra uppfattningar om "bebodighet" kan använda en ny omprövning.
Trots det stora antalet exoplanetupptäckter som har ägt rum under det senaste decenniet eller så, tvingas forskare fortfarande att förlita sig på klimatmodeller för att avgöra vilka bland dem som kan vara "potentiellt bebodda." För närvarande är att utforska dessa planeter via rymdfarkoster helt opraktiskt på grund av de stora avstånden som är inblandade.
Som vi behandlade i en tidigare artikel skulle det ta mellan 19 000 och 81 000 år att nå det närmaste stjärnsystemet (Alpha Centauri) med hjälp av nuvarande metoder och teknik. Dessutom är direkt observation av exoplaneter endast möjligt i sällsynta fall med dagens teleskop, som vanligtvis involverar massiva planeter som kretsar kring deras stjärnor på stort avstånd. Dessa planeter tenderar att vara gasjättar, och är därför inte kandidater för att uppehålla sig.
Hur som helst har astronomer funnit att alla planeter som har observerats bortom vårt solsystem är ganska eklektiska till sin natur. För det mesta har de 4 108 exoplaneter som hittills bekräftats antingen varit Neptun-liknande gasjättar (1375), Jupiter-liknande gasjättar (1293) eller Super-Earths (1273). Endast 161 exoplaneter har varit markbundna (alldeles steniga eller ”jordliknande”) i naturen, alla finns runt M-typen (röd dvärg).
Som Elisa Quintana - en NASA Goddard-astrofysiker som ledde teamet ansvarig för upptäckten av Kepler-186f, den första jordstorlek i en beboelig zon (HZ) - förklarade:
”Under en lång tid var forskarna riktigt fokuserade på att hitta sol- och jordliknande system. Det är allt vi visste. Men vi fick reda på att det finns hela denna galna mångfald i planeter. Vi hittade planeter så små som månen. Vi hittade jätteplaneter. Och vi hittade några som kretsar kring små stjärnor, jätte- och flera stjärnor. ”
Upptäckten av markplaneter som kretsar inom HZ: s röda dvärgar var ursprungligen en källa till stor spänning. Inte bara är dessa stjärnor de vanligaste i vårt universum - och står för 85% av stjärnorna i Vintergatan ensam - utan flera har visat sig kretsa runt stjärnor som är i närheten av solsystemet.
Detta inkluderar de tre planeterna som går i HZ för TRAPPIST-1 (39,46 ljusår bort) och Proxima b, den närmaste exoplaneten till jorden (4,24 ljusår bort). Tyvärr har många studier genomförts under de senaste åren som har indikerat att dessa planeter skulle ha svårt att upprätthålla en livskraftig atmosfär över tid.
För att uttrycka det enkelt innebär det faktum att de är mindre och svalare att röda dvärgar har HZ som är mycket närmare ytorna. Detta betyder att varje planet som kretsar med en röd dvärgs HZ troligen kommer att vara tidigt låst med dem, vilket innebär att en sida ständigt vänder mot stjärnan och mot den mottagande änden av all stjärnans värme, strålning och solvind.
Huruvida dessa planeter kan vara bebörliga eller inte beror därför på ett antal faktorer, såsom närvaron av en tät atmosfär, närvaron av en magnetosfär och de korrekta kemiska överflödet. I stället för att kunna se planeter direkt och fastställa dessa ingredienser för livet (alias biosignaturer), förlitar forskare klimatmodeller för att hjälpa till i sökandet efter ”potentiellt bebodda” exoplaneter.
Enligt Karl Stapelfeldt, NASA: s chefs exoplanetära forskare som är baserad på Jet Propulsion Laboratory, är förmågan att modellera klimat på andra planeter absolut nödvändig. till rymdutforskningens framtid "Modellerna gör specifika, testbara förutsägelser om vad vi borde se," sade han. "Dessa är mycket viktiga för att utforma våra framtida teleskop och för att observera strategier."
Enkelt uttryckt innebär klimatmodellering att skapa en simulering av hur Jorden (eller en annan planet) kommer att se ut baserat på specifika förhållanden och / eller miljöförändringar. I flera år utfördes detta verk av Anthony Del Genio, en nyligen pensionerad planetklimatforskare vid NASAs Goddard Institute for Space Studies. Under sin karriär genomförde Del Genio klimatsimuleringar som involverade Jorden och andra planeter (inklusive Proxima b).
För att sammanfatta är Proxima b ungefär samma storlek som Jorden och minst 1,3 gånger så massiv. Den kretsar runt sin stjärna (Proxima Centauri) en gång var 11,2 jorddagar och på ett avstånd av 0,05 AU (5% avståndet mellan jorden och solen). På det här avståndet är planeten troligen låst på gravitationslåset till sin stjärna, med den ena sidan ständigt utsatt för stjärnans intensiva strålning medan den andra utsätts för konstant mörker och frysningstemperaturer.
Del Genios team simulerade dock nyligen möjliga klimat på Proxima b för att testa hur många som skulle resultera i en varm och våt miljö som kan stödja livet. Intressant nog visade dessa simuleringar att planeter som Proxima b faktiskt kunde vara bebodda trots att de var tidlöst låsta och all strålning en sida utsätts för.
För att genomföra dessa simuleringar använde Del Genios team Discover-superdatorn för att köra en planetsimulator som de utvecklade själva - kallad ROCKE-3D. Denna simulator är baserad på en version av jordklimamodellen som först utvecklades på 1970-talet som de uppgraderade så att den kunde simulera klimat på andra planeter, delvis baserad på de typer av banor de kan ha och deras atmosfäriska kompositioner.
För varje simulering varierade Del Genios team villkoren på Proxima b för att se hur det skulle påverka klimatet. Detta inkluderade justering av typer och mängder växthusgaser i dess atmosfär, djup, storlek och salthalt i dess hav och förhållandet mellan land och vatten. Från detta kunde de se hur moln och hav skulle cirkulera och hur strålning från planetens sol skulle interagera med Proximas atmosfär och yta.
Vad de fann var att Proxima b: s hypotetiska molnskikt skulle fungera som en sköld, avleda solens strålning från ytan och sänka temperaturen på Proxima bs solvänliga sida. Detta överensstämmer med forskning som utförts av forskare Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) vid NASA Goddard som visade hur Proxima b kunde bilda moln så massiva att de skulle täcka hela himlen.
Som Ravi Kopparapu, en NASA Goddard planetforskare som också modellerar de potentiella klimat på exoplaneter, förklarade det:
”Om en planet är låst på gravitationsnivå och roterar långsamt på sin axel bildas en molncirkel framför stjärnan som alltid pekar mot den. Detta beror på kraft känd som Coriolis-effekten, vilket orsakar konvektion på den plats där stjärnan värmer upp atmosfären. Vår modellering visar att Proxima b kan se ut så här. ”
Tillsammans med havscirkulationen skulle denna molnkrets också innebära att varm luft och vatten kunde flytta till planetens mörka sida och därigenom uppnå värmeöverföring och göra hela planeten mer gästvänlig. "Så du håller inte bara atmosfären på nattsidan från att frysa ut, du skapar delar på nattsidan som faktiskt håller flytande vatten på ytan, även om dessa delar inte ser något ljus," sade Del Genio.
Förutom att cirkulera och upprätthålla värme, är atmosfärer och havsströmmar också ansvariga för att distribuera gaser och kemiska element som är nödvändiga för livet som vi känner till det - t.ex. syrgas, koldioxid, metan, etc. Dessa är kända som "biosignaturer" eftersom de antingen är väsentliga för livet här på jorden eller är förknippade med biologiska processer.
Men "som vi känner till det" är nyckelordet här. För närvarande förblir Jorden den enda kända bebobara planeten och de olika livsformerna den stöder är de enda exemplen vi känner till. Som sådan är det för närvarande begränsat att leta efter liv utanför jorden till att söka efter biosignaturer som är nödvändiga för (och associerade med kända) livsformer. Det här är vad vi kallar ”låghängande fruktmetod.”
Dessutom har jorden utvecklats avsevärt under de senaste miljarder åren, liksom livsformerna som har kallat det hem. Medan syrgas i dag är avgörande för varelser från däggdjur, skulle det ha varit giftigt för de fotosyntetiska bakterierna som trivdes i en övervägande koldioxid- och kvävgasatmosfär som fanns på jorden för miljarder år sedan.
Så även om den här typen av modellering inte kan säga säkert om en planet är bebodd, kan den verkligen hjälpa till att begränsa sökningen genom att visa vilka kandidater som lovar mål för uppföljningsobservationer. ”Även om vårt arbete inte kan säga observatörer om någon planet är beboelig eller inte, kan vi berätta för dem om en planet är smack i mellanslag mellan bra kandidater för att söka vidare,” sade Del Genio.
Detta kommer att vara särskilt användbart under de kommande åren när nästa generations teleskop tar utrymme. Dessa inkluderar rymdteleskopet James Webb, som är planerat att sjösättas 2021, och det breda fält infraröda rymdteleskopet (WFIRST), som kommer att sjösättas 2023. Tillsammans med markbaserade observatorier som det extremt stora teleskopet (ELT), dessa instrument gör det möjligt för forskare att direkt observera mindre planeter för första gången.
Koronografer som Starshade kommer också att göra en stor skillnad genom att dränka ut ljuset från stjärnor, som annars döljer ljus som reflekteras från en planetens atmosfär. Dessa och andra utvecklingar innebär att astronomer också kommer att kunna studera atmosfärerna av klippiga exoplaneter, vilket gör att de äntligen kan säga med säkerhet vilka planeter som är "potentiellt bebodda."
Se till att kolla in denna animering av hur Proxima b: s klimat kan se ut, med tillstånd av Del Genios team och NASA Goddard Space Flight Center:
