För att kunna betraktas som beboelig måste en planet ha flytande vatten. Celler, den minsta livsenheten, behöver vatten för att utföra sina funktioner. För att flytande vatten ska existera, måste planetens temperatur vara rätt. Men vad sägs om planets storlek?
Utan tillräcklig massa har en planet inte tillräckligt med tyngdkraft för att hålla fast vid sitt vatten. En ny studie försöker förstå hur storleken påverkar en planets förmåga att hålla fast vid sitt vatten, och som ett resultat dess livsmiljö.
Frågan om vad som kan göra en planet bebodd är en pågående debatt. Inte bara för exoplaneter, utan för några av månarna i vårt eget solsystemets framtid. Forskare har en ganska bra idé om hur mycket energi en planet behöver få från sin stjärna för att bibehålla flytande vatten. Det har gett upphov till den populära uppfattningen om "Goldilocks Zone" eller den omgivande bebyggda zonen, ett område av närhet som varken är för nära eller för långt från en stjärna för att flytande vatten kan kvarstå på en planet.
Med sökandet efter exoplaneter i bebodda zoner som går upp, och när vi får bättre teleskop och tekniker för att studera exoplaneter mer detaljerat, behöver forskare fler begränsningar för vilka planeter att spendera att observera resurser på. Som det här dokumentet visar kan en planetmassa vara ett användbart filter.
Det nya uppsatsen har titeln "Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds." Det publiceras i The Astrophysical Journal. Huvudförfattaren är Constantin W. Arnscheidt, gradstudent på MIT.
För att bibehålla flytande vatten på ytan och en atmosfär måste en exoplanet eller en exomoon ha tillräckligt med massa, annars kommer vatten och atmosfär helt enkelt att flyta ut i rymden. Och det måste hålla fast vid sitt vatten tillräckligt länge för att livet ska visas. Astronomer använder en bollsiffra på en miljard år för att det ska hända.
"När människor tänker på de inre och yttre kanterna i den bebodda zonen tenderar de att bara tänka på den rumsligt, vilket betyder hur nära planeten är till stjärnan," sade Constantin Arnscheidt, första författaren till tidningen. ”Men faktiskt finns det många andra variabler till förmåga, inklusive massa. Att ställa in en undre gräns för att uppehålla sig i termer av planetstorlek ger oss en viktig begränsning i vår pågående jakt på bebodda exoplaneter och exomoner. ”
Storleken och området för den bebodda zonen beror på stjärnan. En mindre, mindre energisk stjärna som en röd dvärg skapar en beboelig zon närmare sig själv än en större stjärna som vår sol. Detta är väl förstått. Om en planet är för långt från stjärnan, fryser vattnet. För nära, och den växande växthuseffekten inträffar, och vattnet förvandlas till ånga och kan koka bort i rymden.
Men för små planeter med lågmassa är det mer som händer. De kan kanske motstå den flyktiga växthuseffekten.
När en planet med lägre massa värms expanderar atmosfären. Den blir större relativt storleken på planeten den omger. Det har två effekter: den ökade ytstorleken innebär att atmosfären kan ta upp mer energi än tidigare, och den kan också stråla mer energi än den brukade.
Det övergripande resultatet av detta är enligt forskarna att den utökade atmosfären stannar bort den växande växthuseffekten och att de kan behålla sitt flytande ytvatten. Det betyder att de kan vara närmare sin stjärna utan att tappa vattnet och därmed utöka Goldilocks-zonen för mindre exoplaneter.
Det finns naturligtvis en gräns. Om en lågmassad planet är för liten, har den inte tillräckligt med tyngdkraft, och atmosfären kommer att avrivas, och vattnet kommer antingen att strippas bort med det eller frysas på ytan. Det betyder att utsikterna för livet är svaga. Forskarna säger att det finns en kritisk lägre gräns för en planet att vara beboelig. Det betyder att det inte bara finns ett band med närhet till stjärnan som bestämmer en planets livsmiljö, det finns en storleksgräns.
Enkelt uttryckt kan en planet vara för liten för att vara bebodd, även om den är i Goldilocks-zonen.
Den kritiska storleken, enligt Arnscheidt och de andra författarna till studien, är 2,7 procent av jordens massa. De säger att något mindre än så, och planeten helt enkelt inte kommer att kunna hålla fast i sin atmosfär och vatten tillräckligt länge för att livet ska visas. För sammanhanget är månen 1,2 procent av jordens massa och kvicksilver 5,53 procent.
Forskarna använder kometliknande planeter som exempel. Kometer har mycket vatten som sublimeras när de kommer nära solen. Men de saknar den nödvändiga massan för att hålla fast vid den ångan, och de kan aldrig bilda en atmosfär. Vattnet går förlorat i rymden. Så en planet som var för liten, även om den hade mycket vatten, skulle aldrig hålla fast vid den.
Forskarna använde modeller för att uppskatta lågmassens planet bebodda zon runt två olika typer av stjärnor: en M-typ, eller röd dvärgstjärna, och en G-typ stjärna som vår sol.
De kan också ha löst en annan långvarig fråga om tillväxt i vårt eget solsystem. Jupiters månar Ganymede, Callisto och Europa har alla gott om flytande vatten, fångade under islager. Astronomer har undrat om de skulle vara bebodda när solen strålar ut mer energi vid någon tidpunkt i sin stellar framtid. Men enligt författarnas arbete saknar de massan att hålla fast vid det vattnet, även om de blev tillräckligt varma. Ganymede kommer nära, med 2,5% jordmassa, men det är tillräckligt litet för att vara "kometliknande" och förlora allt vatten till rymden.
"Vattenvärlden med låg massa är en fascinerande möjlighet i sökandet efter liv, och det här dokumentet visar hur olika deras beteende sannolikt kommer att jämföras med jordliknande planeter," sade Robin Wordsworth, docent i miljövetenskap och teknik vid SEAS och seniorförfattare till studien. "När observationer för denna klass av objekt har blivit möjliga kommer det att bli spännande att försöka testa dessa förutsägelser direkt."
Forskarna gjorde några nödvändiga antaganden i sitt arbete. De antog att atmosfären i deras lågmassiga världar var ren vattenånga. De antog också att vattnet var fixerat till 40% av planetens massa. De ignorerade också vissa andra faktorer, som CO2-cykling, molntäckning och havskemi. Det finns helt enkelt för många variabler att modellera i detta skede av sitt arbete.
Författarna tar också upp tanken på bebyggda exomoner snarare än exoplaneter. Det kan tänkas att månar i andra solsystem kan vara mer benägna än planeter. I så fall kommer andra faktorer att spela, som tidvattenkrafter. Det kan vara särskilt sant kring stjärnor av M-typ, eller röda dvärgar. Det beror på att den omgivande bebyggda zonen runt dessa lågenergistjärnor redan är mycket närmare stjärnan än runt en G-typstjärna som vår sol. De kombinerade tyngdkrafterna i exomoon, dess planet och stjärnan kan eliminera livsmiljön helt.
De erkänner också några av de många olika faktorer som påverkar livsmiljön. Till exempel, även om månar som Ganymede kan vara för små för att vara bebodda i sin modell, kan de mycket väl vara livet i deras underjordiska hav, där vattnet hindras från att rymma av ett tjockt islager.
Det finns mycket mer arbete som ska göras när det gäller att fastställa livsmiljön. Som författarna säger i sin artikel, "Ytterligare arbete kan överväga mer komplicerade modeller av hydrodynamisk flykt." Det finns mer variation och komplexitet i exoplaneter än vi vet just nu, men denna studie börjar ta itu med en del av den.
Mer:
- Pressmeddelande: En Goldilockszon för planetstorlek
- Forskningsdokument: Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds
- Space Magazine: Vilka vanliga zoner är bäst att faktiskt söka efter livet?
