Med tanke på framtiden har NASA och andra rymdbyråer stora förhoppningar för området solkretsplaneterforskning. Under det senaste decenniet har antalet kända exoplaneter nått bara blyg på 4000, och många fler förväntas hittas när nästa generations teleskoper tas i bruk. Och med så många exoplaneter att studera har forskningsmål långsamt förskjutits från upptäcktsprocessen och mot karaktärisering.
Tyvärr plågas forskare fortfarande av det faktum att det vi anser vara en "bebodlig zon" är föremål för många antaganden. För att ta itu med detta publicerade ett internationellt forskargrupp nyligen ett dokument där de indikerade hur framtida exoplanetundersökningar skulle kunna se bortom jordanalogiska exempel som indikationer på livsmiljö och anta en mer omfattande strategi.
Uppsatsen, med titeln "Habitable Zone predictions and how to test them", dykte nyligen upp online och överlämnades som vitbok till Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Teamet bakom det leddes av Ramses M. Ramirez, en forskare vid Earth-Life Science Institute (ELSI) och Space Science Institute (SSI), som förenades av medförfattare och medunderskrivare från 23 universitet och institutioner.
Syftet med decadalundersökningen är att överväga tidigare framsteg inom olika forskningsområden och att fastställa prioriteringar för det kommande decenniet. Som sådan ger undersökningen avgörande vägledningar till NASA, National Space Foundation (NSF) och energidepartementet när de planerar sina mål för astronomi och astrofysik för framtiden.
För närvarande fokuserar många av dessa mål på studien av exoplaneter, som kommer att gynnas under de kommande åren av utplaceringen av nästa generations teleskoper som James Webb rymdteleskop (JWST) och Infrarött rymdteleskop med bred fält (WFIRST), liksom markbaserade observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope och Giant Magellan Telescope (GMT).
En av de övergripande prioriteringarna inom exoplanetforskning letar efter planeter där utomjordiskt liv kan existera. I detta avseende betecknar forskare planeter som ”potentiellt bebörliga” (och därför värda uppföljningsobservationer) baserade på huruvida de går i deras stjärnas beboeliga zoner eller inte. Av denna anledning är det klokt att ta en titt på vad som går att definiera en HZ.
Som Ramirez och hans kollegor indikerade i sitt papper, är en av de viktigaste frågorna med exoplanetens livsmiljö nivån på antaganden som görs. För att bryta ner det antar de flesta definitioner av HZs närvaron av vatten på ytan eftersom detta är det enda lösningsmedlet som för närvarande är känt för att vara värdsliv. Samma definitioner antar att livet kräver en stenig planet med tektonisk aktivitet som kretsar runt en lämpligt ljus och varm stjärna.
Ny forskning har emellertid känt tvivel på många av dessa antaganden. Detta inkluderar studier som indikerar hur atmosfäriskt syre inte automatiskt betyder närvaron av liv - särskilt om det syret är resultatet av kemisk dissociation och inte fotosyntes. Annan forskning har visat hur förekomsten av syregas under de tidiga perioderna av en planets utveckling kan förhindra uppkomsten av grundläggande livsformer.
Dessutom har det funnits nya studier som har visat hur plattaktonik kanske inte är nödvändigt för att livet ska dyka upp, och att så kallade ”vattenvärldar” kanske inte kan stödja livet (men fortfarande kunde). Utöver allt detta har du teoretiskt arbete som antyder att livet kan utvecklas i hav av metan eller ammoniak på andra himmelkroppar.
Det viktigaste exemplet här är Saturns måne Titan, som har en miljö som är rik på prebiotiska förhållanden och organisk kemi - som vissa forskare tror kan stödja exotiska livsformer. I slutändan söker forskare efter kända biomarkörer som vatten och koldioxid eftersom de är förknippade med livet på jorden, det enda kända exemplet på en livsbärande planet.
Men som Ramirez förklarade till Space Magazine via e-post, är denna tänkesätt (där jordanaloger anses lämplig för livet) fortfarande full av problem:
”Den klassiska bebodningszonesdefinitionen är bristfällig eftersom dess konstruktion huvudsakligen är baserad på jordcentriska klimatologiska argument som kanske eller inte kan tillämpas på andra potentiellt bebodda planeter. Till exempel antar det att flerstångs CO2-atmosfärer kan stöttas på potentiellt bebodda planeter nära den bebörliga zonens ytterkant. Men sådana höga CO2-nivåer är giftiga för jordväxter och djur, och därför utan en bättre förståelse för livets gränser, vet vi inte hur rimligt detta antagande är.
”Den klassiska HZ antar också att CO2 och H2O är de viktigaste växthusgaser som upprätthåller potentiellt bebodda planeter, men flera studier under senare år har utvecklat alternativa HZ-definitioner med olika kombinationer av växthusgaser, inklusive de som, även om de är relativt små på jorden, kan vara viktigt för andra potentiellt bebodda planeter. ”
I en tidigare studie visade Dr. Ramirez hur närvaron av metan och vätgas också kunde orsaka
Lyckligtvis har dessa definitioner möjlighet att testas, tack vare införandet av nästa generations teleskop. Forskare kan inte bara testa några av de långsiktiga antagandena som HZ baseras på,
”Nästa generations teleskop kan testa den bebodda zonen genom att söka efter en förutsedd ökning av CO2-atmosfärstrycket längre bort som potentiellt bebodda planeter är från deras stjärnor. Detta skulle också testa om karbonatsilikatcykeln, som är vad många tror har hållit vår planet beboelig för mycket av sin historia, är en universell process eller inte. "
I denna process konverteras silikatbergarter till kolbergarter genom väderbildning och erosion, medan kolbergarter omvandlas till silikatbergarter genom vulkanisk och geologisk aktivitet. Denna cykel garanterar den långsiktiga stabiliteten i jordens atmosfär genom att hålla koldioxidnivåerna konstanta över tid. Det illustrerar också hur vatten- och plattaktonik är viktigt för livet som vi känner till det.
Denna typ av cykel kan emellertid endast existera på planeter som har mark, vilket effektivt utesluter ”vattenvärlder”. Dessa exoplaneter - som kan vara vanliga runt stjärnor av M-typen (röd dvärg) - tros vara upp till 50% vattenmassa. Med denna mängd vatten på ytorna har ”vattenvärlder” troligtvis tät islager vid sin kärnmantelgräns, vilket förhindrar hydrotermisk aktivitet.
Men som redan påpekats finns det en del forskning som indikerar att dessa planeter fortfarande kan vara bebodda. Även om överflödet av vatten skulle förhindra upptag av koldioxid av stenar och undertrycka vulkanisk aktivitet, har simuleringar visat att dessa planeter fortfarande kan cykla kol mellan atmosfären och havet och därmed hålla klimatet stabilt.
Om dessa typer av havsvärldar finns, säger Dr. Ramirez, kunde forskare upptäcka dem genom deras lägre planetära täthet och högtryckstemperatur. Och så är det frågan om olika växthusgaser, som inte alltid är en indikation på varmare planetariska atmosfärer, beroende på stjärntyp.
"Även om metan värmer vår planet så fann vi att metan faktiskt kyler ytorna på planterbara zonplaneter som kretsar runt röda dvärgstjärnor!" han sa. ”Om så är fallet kan höga atmosfäriska metanmängder på sådana planeter betyda frysta förhållanden som kanske är olämpliga för livslängd. Vi kommer att kunna observera detta i planetariska spektra. ”
På tal om röda dvärgar rasar debatten om planeter som kretsar kring dessa stjärnor skulle kunna upprätthålla en atmosfär. Under de senaste åren har flera upptäckter gjorts som antyder att klippiga tidligt låsta planeter är vanliga runt röda dvärgstjärnor och att de går i deras respektive HZ: s.
Efterföljande forskning har emellertid förstärkt teorin om att instabiliteten hos röda dvärgstjärnor sannolikt skulle resultera i solfällningar som skulle remsa alla planeter som kretsar kring deras atmosfär. Slutligen höjer Ramirez och hans kollegor möjligheten att bebodda planeter kan hittas som kretsar kring det som (tills nyligen) har betraktats som en osannolik kandidat.
Dessa skulle vara huvudsekvenser av typ A-stjärnor - som Sirius A, Altair och Vega - som ansågs vara för ljusa och heta för att vara lämpliga för bostad. Sade Dr. Ramirez om denna möjlighet:
”Jag är också intresserad av att ta reda på om det finns liv på planerade zonplaneter som kretsar kring A-stjärnor. Det har inte gjorts många publicerade bedömningar av planeten för A-stjärna, men vissa nästa generations arkitekturer planerar att observera dem. Vi kommer snart att lära oss mer om A-stjärnornas lämplighet för livet. ”
I slutändan kommer studier som den här, som ifrågasätter definitionen av ”beboelig zon”, att vara praktiska när nästa generations uppdrag påbörjar vetenskapliga operationer. Med sina högre upplösning och mer känsliga instrument kommer de att kunna testa och validera många av de förutsägelser som gjorts av forskare.
Dessa test kommer också att bekräfta om liv kan existera där ute bara eller inte, eller också utöver de parametrar som vi anser vara ”jordliknande”. Men som Ramirez tillade, undersöker studien som han och hans kollegor genomförde också hur viktigt det är att vi fortsätter att investera i avancerad teleskopteknik:
”Vårt papper betonar också vikten av en fortsatt investering i avancerad teleskopteknik. Vi måste kunna hitta och karakterisera så många bebobara zonplaneter som möjligt om vi vill maximera våra chanser att hitta liv. Jag hoppas dock också att vårt papper inspirerar människor att drömma bortom bara de kommande tio åren. Jag tror verkligen att det så småningom kommer att bli uppdrag som kommer att vara mycket mer kapabla än vad vi för närvarande utformar. Våra nuvarande ansträngningar är bara början på en mycket mer engagerad strävan för vår art. ”
Mötet för Decadal Survey 2020 hålls gemensamt av styrelsen för fysik och astronomi och rymdstudierådet för National Academy of Sciences, och kommer att följas av en rapport som kommer att släppas ungefär två år från och med nu.
