När jag letar efter potentiellt bebodda exoplaneter är en av de viktigaste saker astronomer letar efter huruvida exoplanetskandidater går i deras stjärnas bebodda zon eller inte. Detta är nödvändigt för att flytande vatten kan existera på planetens yta, vilket i sin tur är en förutsättning för livet som vi känner till det. Under upptäckten av nya exoplaneter har forskare emellertid blivit medvetna om ett extremt fall som kallas ”vattenvärlder”.
Vattenvärldar är i huvudsak planeter som har upp till 50% vatten i massa, vilket resulterar i ythav som kan vara hundratals kilometer djupa. Enligt en ny studie av ett team av astrofysiker från Princeton, University of Michigan och Harvard, kanske vattenvärldar inte kan hängas på deras vatten på länge. Dessa fynd kan vara av enorm betydelse när det gäller jakten på bebodda planeter i kosmos.
Denna senaste studie, med titeln "Dehydrering av vattenvärldar via atmosfäriska förluster", nyligen dök upp i The Astrophysical Journal Letters. Under ledning av Chuanfei Dong från Institutionen för astrofysiska vetenskaper vid Princeton University genomförde teamet datorsimuleringar som tog hänsyn till vilken typ av förhållanden vattenvärlden skulle vara föremål för.
Denna studie motiverades till stor del av antalet exoplanetupptäckter som har gjorts kring stjärnmassor med låg massa, M-typ (röd dvärg) under de senaste åren. Dessa planeter har visat sig vara jämförbara i storlek med jorden - vilket indikerade att de troligen var markbundna (dvs. steniga). Dessutom visade sig många av dessa planeter - såsom Proxima b och tre planeter inom TRAPPIST-1-systemet - kretsa inom stjärnorna som är bebodda zoner.
Efterföljande studier indikerade emellertid att Proxima b och andra steniga planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor faktiskt kan vara vattenvärldar. Detta baserades på massberäkningar som erhölls genom astronomiska undersökningar och de inbyggda antagandena om att sådana planeter var steniga i naturen och inte hade massiva atmosfärer. Samtidigt har många studier producerats som har gjort tvivel om dessa planeter skulle kunna hålla fast vid deras vatten eller inte.
I grund och botten beror det på stjärntypen och planeternas omloppsparametrar. Medan långlivade, röda dvärgstjärnor är kända för att vara variabla och instabila jämfört med vår sol, vilket resulterar i periodiska flares upp som skulle remsa en planetens atmosfär över tid. Dessutom skulle planeter som går i en röd dvärgs bebyggda zon troligen vara tidigt låsta, vilket innebär att en sida av planeten ständigt utsätts för stjärnans strålning.
På grund av detta är forskare fokuserade på att bestämma hur bra exoplaneter i olika typer av stjärnsystem kan hålla fast vid sina atmosfärer. Som Dr. Dong berättade för Space Magazine via e-post:
”Det är rättvist att säga att närvaron av en atmosfär uppfattas som ett av kraven för en planets levnadsförmåga. Med detta sagt är begreppet beboddhet ett komplicerat med otaliga faktorer inblandade. Därför räcker en atmosfär i sig inte för att garantera livsmiljö, men den kan betraktas som en viktig ingrediens för att en planet kan vara beboelig. "
För att testa om en vattenvärld skulle kunna hålla fast vid sin atmosfär genomförde teamet datasimuleringar som tog hänsyn till olika möjliga scenarier. Dessa inkluderade effekterna av stjärnmagnetiska fält, utsprång i koronalmassa och atmosfärisk jonisering och utkastning för olika typer av stjärnor - inklusive stjärnor av G-typ (som vår sol) och stjärnor av M-typ (som Proxima Centauri och TRAPPIST-1).
Med dessa effekter som redovisats, härledde Dr. Dong och hans kollegor en omfattande modell som simulerade hur länge exoplanet-atmosfären skulle pågå. Som han förklarade det:
”Vi utvecklade en ny multi-fluid magnetohydrodynamisk modell. Modellen simulerade både jonosfären och magnetosfären som helhet. På grund av förekomsten av ett dipolmagnetiskt fält kan den stjärnvinden inte svepa bort atmosfären direkt (som Mars på grund av frånvaron av ett globalt dipolmagnetiskt fält), istället orsakades den atmosfäriska jonförlusten av den polära vinden.
”Elektronerna är mindre massiva än deras förälderjoner, och som ett resultat accelereras de lättare upp till och bortom planets utrymningshastighet. Denna laddningsseparation mellan de utströmmande, lågmassa-elektronerna och betydligt tyngre, positivt laddade joner sätter upp ett elektriskt polarisationsfält. Det elektriska fältet verkar i sin tur för att dra de positivt laddade jonerna bakom de flyktande elektronerna ut ur atmosfären i polarlocket. ”
Vad de fann var att deras datorsimuleringar överensstämde med det nuvarande Earth-Sun-systemet. I vissa extrema möjligheter - till exempel exoplaneter runt stjärnor av M-typ - är situationen emellertid mycket annorlunda och flyktfrekvenserna kan vara tusen gånger större eller mer. Resultatet innebär att även en vattenvärld, om den kretsar kring en röd dvärgstjärna, kan förlora sin atmosfär efter ungefär ett gigayear (Gyr), en miljard år.
Med tanke på att livet som vi känner det tog cirka 4,5 miljarder år att utvecklas, är en miljard år ett relativt kort fönster. Som Dr. Dong förklarade indikerar dessa resultat faktiskt att planeter som kretsar kring stjärnor av M-typen skulle hårt pressas för att utveckla livet:
”Våra resultat indikerar att havsplaneterna (som kretsar runt en solliknande stjärna) kommer att behålla sina atmosfärer mycket längre än Gyr-tidsskalan eftersom jonfångningshastigheterna är alldeles för låga, därför gör det möjligt för en längre livslängd att komma från dessa planeter. och utvecklas i termer av komplexitet. Däremot, för exoplaneter som kretsar kring M-dvärgarna, kan de få sina hav utarmade över Gyr-tidsskalan på grund av de mer intensiva partikel- och strålningsmiljöer som exoplaneterna upplever i närbelägna zoner. Om atmosfären skulle tappas under tidsskalan mindre än Gyr, kan detta visa sig vara problematiskt för livets ursprung (abiogenes) på planeten. ”
Än en gång tvivlar dessa resultat på den potentiella livsmiljön för röda dvärgstjärnsystem. Tidigare har forskare indikerat att livslängden för röda dvärgstjärnor, som kan förbli i sin huvudsekvens i upp till 10 biljoner år eller längre, gör dem till den bästa kandidaten för att hitta beboelige exoplaneter. Emellertid tycks stabiliteten hos dessa stjärnor och det sätt på vilket de sannolikt kommer att strippa planeter från deras atmosfärer tyder på något annat.
Studier som denna är därför mycket betydande eftersom de hjälper till att ta itu med hur länge en potentiellt beboelig planet runt en röd dvärgstjärna kan förbli potentiellt beboelig. Dong indikerade:
”Med tanke på vikten av atmosfärisk förlust på planetens förhållande har det varit stort intresse för att använda teleskop som det kommande James Webb Space Telescope (JWST) för att avgöra om dessa planeter har atmosfärer och, i så fall, hur deras sammansättning är . Det förväntas att JWST ska kunna karakterisera dessa atmosfärer (om de är närvarande), men att kvantifiera utrymningshastigheterna kräver en mycket högre grad av precision och kanske inte är genomförbart i en nära framtid. ”
Studien är också viktig när det gäller vår förståelse av solsystemet och dess utveckling. Vid en tidpunkt har forskare vågat att både Jorden och Venus kan ha varit vattenvärldar. Hur de gjorde övergången från att vara mycket vattniga till vad de är idag - i fallet med Venus, torrt och helvetet; och när det gäller Jorden, med flera kontinenter - är en helt viktig fråga.
I framtiden förväntas mer detaljerade undersökningar som kan bidra till att belysa dessa konkurrerande teorier. När James Webb Space Telescope (JWST) distribueras våren 2018 kommer det att använda sina kraftfulla infraröda kapaciteter för att studera planeter runt närliggande röda dvärgar, Proxima b är en av dem. Vad vi lär oss om detta och andra avlägsna exoplaneter kommer att gå långt mot att informera vår förståelse för hur vårt eget solsystem också utvecklats.
