När man letar efter potentiellt bebörliga extra-solplaneter är forskare något begränsade av det faktum att vi bara känner till en planet där livet finns (dvs Jorden). Av denna anledning letar forskare efter planeter som är markbundna (dvs klippiga), som går i deras stjärnas bebörliga zoner, och visar tecken på biosignaturer som atmosfärisk koldioxid - vilket är nödvändigt för livet som vi känner till det.
Denna gas, som till stor del är resultatet av vulkanisk aktivitet här på jorden, ökar ytvärmen genom växthuseffekten och cyklar mellan underytan och atmosfären genom naturliga processer. Av denna anledning har forskare länge trott att plattaktonik är väsentligt för bebörlighet. Enligt en ny studie från ett team från Pennsylvania State University kan det dock inte vara fallet.
Studien, med titeln "Carbon Cycling and Habitability of Earth-Sized Stagnant Lid Planets", publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Astrobiologi. Studien genomfördes av Bradford J. Foley och Andrew J. Smye, två biträdande professorer från institutionen för geovetenskaper vid Pennsylvania State University.
På jorden är vulkanism resultatet av plattaktonik och uppstår där två plattor kolliderar. Detta orsakar subduktion, där en platta skjuts under den andra och djupare in i underytan. Denna subduktion förändrar den täta manteln till en flytande magma, som stiger genom jordskorpan till jordens yta och skapar vulkaner. Denna process kan också hjälpa till att kolcykla genom att trycka kol in i manteln.
Plattaktonik och vulkanism tros ha varit centrala för uppkomsten av liv här på jorden, eftersom det säkerställde att vår planet hade tillräckligt med värme för att hålla flytande vatten på ytan. För att testa denna teori skapade professorerna Foley och Smye modeller för att bestämma hur beboelig en jordliknande planet skulle vara utan närvaron av plattaktonik.
Dessa modeller tog hänsyn till den termiska utvecklingen, skorpaproduktionen och CO2 cykla för att begränsa livsmiljön hos steniga, jordstorlekar med stillastående lockplaneter. Det här är planeter där jordskorpan består av en enda jätte, sfärisk platta som flyter på manteln snarare än i separata bitar. Sådana planeter tros vara mycket vanligare än planeter som upplever plattaktonik, eftersom inga planeter utanför jorden har bekräftats ha tektoniska plattor än. Som prof. Foley förklarade i ett pressmeddelande från Penn State News:
”Vulkanism släpper ut gaser i atmosfären, och sedan genom väderbildning dras koldioxid från atmosfären och bindas in i ytbergar och sediment. Att balansera de två processerna håller koldioxid på en viss nivå i atmosfären, vilket är verkligen viktigt för om klimatet förblir tempererat och lämpligt för livet. ”
I huvudsak tog deras modeller hänsyn till hur mycket värme en stillastående lockplanetets klimat kunde behålla baserat på mängden värme och värmeproducerande element när när planeten bildades (aka dess ursprungliga värmebudget). På jorden inkluderar dessa element uran som producerar thorium och värme när det sönderfaller, som sedan sönderfaller för att producera kalium och värme.
Efter att ha kört hundratals simuleringar, som varierade planetens storlek och kemiska sammansättning, fann de att stillastående lockplaneter skulle kunna hålla tillräckligt varma temperaturer för att flytande vatten skulle kunna existera på sina ytor i miljarder år. I extrema fall kan de upprätthålla livsstödstemperaturer i upp till 4 miljarder år, vilket är nästan jordens ålder.
Som Smye antydde beror detta delvis på att plattaktonik inte alltid är nödvändig för vulkanisk aktivitet:
”Du har fortfarande vulkanism på stillastående lockplaneter, men det är mycket kortare liv än på planeter med plattaktonik eftersom det inte finns lika mycket cykling. Vulkaner resulterar i en följd av lavaflöden, som över tid begravas som lager av en kaka. Stenar och sediment värms upp mer djupare de begravas. ”
Forskarna fann också att utan platt-tektonik kan stillastående lockplanter fortfarande ha tillräckligt med värme och tryck för att uppleva avgasning, där koldioxidgas kan komma ut från stenar och komma till ytan. På jorden, sade Smye, samma process sker med vatten i subduktionsfelzoner. Denna process ökar baserat på mängden värmeproducerande element som finns i planeten. Som Foley förklarade:
"Det finns ett sött fläckområde där en planet släpper ut tillräckligt med koldioxid för att förhindra att planeten fryser över, men inte så mycket att väderträdet inte kan dra koldioxid ur atmosfären och hålla klimatet tempererat."
Enligt forskarnas modell var närvaron och mängden värmeproducerande element mycket bättre indikatorer för en planets potential att upprätthålla liv. Baserat på deras simuleringar fann de att den ursprungliga sammansättningen eller storleken på en planet är mycket viktig för att avgöra om den kommer att bli beboelig eller inte. Eller som de uttrycker det, bestäms en planets potentiella livsmiljö vid födseln.
Genom att demonstrera att stillastående lockplaneter fortfarande kan stödja livet har denna studie potentialen att utvidga utbudet av vad forskare anser vara potentiellt bebodda. När James Webb Space Telescope (JWST) distribueras 2021, undersöker atmosfären i stillastående lockplaneter för att bestämma närvaron av biosignaturer (som CO2) kommer att vara ett viktigt vetenskapligt mål.
Att veta att fler av dessa världar kan upprätthålla livet är verkligen goda nyheter för de som hoppas att vi finner bevis på utomjordiskt liv i våra liv.
