NASA finder, at planeter med røde dværgstjerner kan blive udsat for ilttab i beboelige zoner

Søgen efter liv hinsides Jorden starter i beboelige zoner, områderne omkring stjerner, hvor forholdene potentielt kunne tillade flydende vand – hvilket er afgørende for liv, som vi kender det – at samle sig på en planets overflade. Ny NASA-forskning tyder på, at nogle af disse zoner faktisk ikke er i stand til at understøtte liv på grund af hyppige stjerneudbrud - som spyr enorme mængder af stjernemateriale og stråling ud i rummet - fra unge røde dværgstjerner.

Nu, et tværfagligt hold af NASA-forskere ønsker at udvide, hvordan beboelige zoner defineres, under hensyntagen til virkningen af ​​stjerneaktivitet, som kan true en exoplanets atmosfære med ilttab. Denne forskning blev offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve den 6. feb. 2017.

"Hvis vi vil finde en exoplanet, der kan udvikle og opretholde liv, vi skal finde ud af, hvilke stjerner der er de bedste forældre, " sagde Vladimir Airapetian, hovedforfatter af papiret og en solforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi kommer tættere på at forstå, hvilken slags forældrestjerner vi har brug for."

For at bestemme en stjernes beboelige zone, videnskabsmænd har traditionelt overvejet, hvor meget varme og lys stjernen udsender. Stjerner, der er mere massive end vores sol, producerer mere varme og lys, så den beboelige zone skal være længere ude. Mindre, køligere stjerner giver tætte beboelige zoner.

Men sammen med varme og synligt lys, stjerner udsender røntgen og ultraviolet stråling, og producerer stjerneudbrud som blus og koronale masseudstødninger - samlet kaldet rumvejr. En mulig effekt af denne stråling er atmosfærisk erosion, hvor højenergipartikler trækker atmosfæriske molekyler – såsom brint og oxygen, de to ingredienser til vand – ud i rummet. Airapetian og hans teams nye model for beboelige zoner tager nu højde for denne effekt.

Søgningen efter beboelige planeter griber ofte ind på røde dværge, da disse er de fedeste, de mindste og mest talrige stjerner i universet - og derfor relativt modtagelige for påvisning af små planeter.

"På minussiden, røde dværge er også tilbøjelige til hyppigere og kraftigere stjerneudbrud end solen, " sagde William Danchi, en Goddard-astronom og medforfatter til papiret. "For at vurdere beboeligheden af ​​planeter omkring disse stjerner, vi er nødt til at forstå, hvordan disse forskellige effekter balancerer."

En anden vigtig faktor for beboelighed er en stjernes alder, siger forskerne, baseret på observationer, de har indsamlet fra NASAs Kepler-mission. Hver dag, unge stjerner producerer superblus, kraftige udbrud og udbrud mindst 10 gange kraftigere end dem, der observeres på solen. På deres ældre, modne modstykker, der ligner vores midaldrende sol i dag, sådanne superblus observeres kun én gang hvert 100. år.

"Når vi ser på unge røde dværge i vores galakse, vi ser, at de er meget mindre lysende end vores sol i dag, " sagde Airapetian. "Med den klassiske definition, den beboelige zone omkring røde dværge skal være 10 til 20 gange tættere på Solen, end Jorden er. Nu ved vi, at disse røde dværgstjerner genererer en masse røntgenstråler og ekstreme ultraviolette emissioner i de beboelige zoner af exoplaneter gennem hyppige udbrud og stjernestorme."

Superflares forårsager atmosfærisk erosion, når højenergi røntgenstråler og ekstreme ultraviolette emissioner først bryder molekyler til atomer og derefter ioniserer atmosfæriske gasser. Under ionisering, stråling rammer atomerne og slår elektroner af. Elektroner er meget lettere end de nydannede ioner, så de undslipper tyngdekraftens træk langt lettere og løber ud i rummet.

Modsætninger tiltrækkes, så som flere og flere negativt ladede elektroner genereres, de skaber en kraftig ladningsadskillelse, der lokker positivt ladede ioner ud af atmosfæren i en proces, der kaldes ion-escape.

"Vi ved, at iltion undslipper sker på Jorden i mindre skala, da solen kun udviser en brøkdel af aktiviteten af ​​yngre stjerner, " sagde Alex Glocer, en Goddard-astrofysiker og medforfatter til papiret. "For at se, hvordan denne effekt skalerer, når du får mere input af høj energi, som du ville se fra unge stjerner, vi udviklede en model."

Modellen estimerer iltudslip på planeter omkring røde dværge, forudsat at de ikke kompenserer med vulkansk aktivitet eller kometbombardement. Forskellige tidligere atmosfæriske erosionsmodeller indikerede, at brint er mest sårbar over for ionudslip. Som det letteste element, brint slipper let ud i rummet, formentlig efterlader en atmosfære rig på tungere grundstoffer som ilt og nitrogen.

Men da forskerne redegjorde for superblus, deres nye model indikerer, at de voldsomme storme fra unge røde dværge genererer tilstrækkelig højenergistråling til at muliggøre udslip af selv ilt og nitrogen – byggesten til livets essentielle molekyler.

"Jo mere røntgen og ekstrem ultraviolet energi der er, jo flere elektroner, der genereres, og jo stærkere bliver ionudslipseffekten, " sagde Glocer. "Denne effekt er meget følsom over for mængden af ​​energi, stjernen udsender, hvilket betyder, at det skal spille en stærk rolle i at bestemme, hvad der er og ikke er en beboelig planet."

Med tanke på iltudslip alene, modellen anslår, at en ung rød dværg kan gøre en nærliggende exoplanet ubeboelig inden for et par tiere til hundrede millioner år. Tabet af både atmosfærisk brint og ilt ville reducere og eliminere planetens vandforsyning, før livet ville have en chance for at udvikle sig.

"Resultaterne af dette arbejde kan have dybtgående konsekvenser for den atmosfæriske kemi i disse verdener, " sagde Shawn Domagal-Goldman, a Goddard space scientist not involved with the study. "The team's conclusions will impact our ongoing studies of missions that would search for signs of life in the chemical composition of those atmospheres."

Modeling the oxygen loss rate is the first step in the team's efforts to expand the classical definition of habitability into what they call space weather-affected habitable zones. When exoplanets orbit a mature star with a mild space weather environment, the classical definition is sufficient. When the host star exhibits X-ray and extreme ultraviolet levels greater than seven to 10 times the average emissions from our sun, then the new definition applies. The team's future work will include modeling nitrogen escape, which may be comparable to oxygen escape since nitrogen is just slightly lighter than oxygen.

The new habitability model has implications for the recently discovered planet orbiting the red dwarf Proxima Centauri, our nearest stellar neighbor. Airapetian and his team applied their model to the roughly Earth-sized planet, dubbed Proxima b, which orbits Proxima Centauri 20 times closer than Earth is to the sun.

Considering the host star's age and the planet's proximity to its host star, the scientists expect that Proxima b is subjected to torrents of X-ray and extreme ultraviolet radiation from superflares occurring roughly every two hours. They estimate oxygen would escape Proxima b's atmosphere in 10 million years. Derudover intense magnetic activity and stellar wind – the continuous flow of charged particles from a star – exacerbate already harsh space weather conditions. The scientists concluded that it's quite unlikely Proxima b is habitable.

"We have pessimistic results for planets around young red dwarfs in this study, but we also have a better understanding of which stars have good prospects for habitability, " Airapetian said. "As we learn more about what we need from a host star, it seems more and more that our sun is just one of those perfect parent stars, to have supported life on Earth."