NASA-teamet ser først til oldtidens Jord for at studere disede exoplaneter

For astronomer, der forsøger at forstå, hvilke fjerne planeter der kan have beboelige forhold, rollen som atmosfærisk dis har været uklar. For at hjælpe med at ordne det, et team af forskere har kigget på Jorden – specielt Jorden under den arkæiske æra, en episk periode på 1-1/2 milliard år tidligt i vores planets historie.

Jordens atmosfære ser ud til at have været helt anderledes dengang, sandsynligvis med lidt tilgængelig ilt, men høje niveauer af metan, ammoniak og andre organiske kemikalier. Geologiske beviser tyder på, at dis kan være kommet og gået sporadisk fra den arkæiske atmosfære - og forskerne er ikke helt sikre på hvorfor. Holdet begrundede, at en bedre forståelse af disdannelse under den arkæiske æra kunne hjælpe med at informere undersøgelser af diset jordlignende exoplaneter.

"Vi kan godt lide at sige, at den arkæiske jord er den mest fremmede planet, vi har geokemiske data for, " sagde Giada Arney fra NASAs Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland, og medlem af NASA Astrobiology Institute's Virtual Planetary Laboratory baseret på University of Washington, Seattle. Arney er hovedforfatter til to relaterede artikler udgivet af holdet.

I bedste tilfælde, dis i en planets atmosfære kunne servere et smørebord af kulstofrige, eller økologisk, molekyler, der ved kemiske reaktioner kunne omdannes til forløbermolekyler for livet. Uklarhed kan også frasortere meget af den skadelige UV-stråling, der kan nedbryde DNA.

I værste fald, disen kan blive så tyk, at meget lidt lys slipper igennem. I denne situation, overfladen kan blive så kold, at den fryser helt. Hvis der opstod en meget tyk dis på den arkæiske jord, det kunne have haft en dyb effekt, fordi da æraen begyndte for omkring fire milliarder år siden, solen var svagere, udsender måske 80 procent af det lys, den gør nu.

Arney og hendes kolleger sammensatte sofistikeret computermodellering for at se på, hvordan dis påvirkede overfladetemperaturen på den arkæiske jord og, på tur, hvordan temperaturen påvirkede kemien i atmosfæren.

Den nye modellering indikerer, at da disen blev tykkere, mindre sollys ville have trængt igennem, hæmmer de typer af sollys-drevne kemiske reaktioner, der er nødvendige for at danne mere dis. Dette ville føre til nedlukning af tågedannelseskemi, forhindrer planeten i at gennemgå en løbsk istid på grund af en meget tyk dis.

Holdet kalder denne selvbegrænsende dis, og deres arbejde er det første til at påstå, at dette er, hvad der skete på den arkæiske jord - en konstatering offentliggjort i november 2016-udgaven af ​​tidsskriftet Astrobiologi . Forskerne konkluderede, at selvbegrænsende dis kunne have afkølet den arkæiske jord med omkring 36 grader Fahrenheit (20 Kelvins) - nok til at gøre en forskel, men ikke til at fryse overfladen fuldstændigt.

"Vores modellering tyder på, at en planet som diset arkæisk jord, der kredser om en stjerne som den unge sol, ville være kold, " sagde Shawn Domagal-Goldman, en Goddard-videnskabsmand og medlem af Virtual Planetary Laboratory. "Men vi siger, at det ville være koldt som Yukon om vinteren, ikke kold som nutidens Mars."

Sådan en planet kan betragtes som beboelig, selvom den globale middeltemperatur er under frysepunktet, så længe der er noget flydende vand på overfladen.

I den efterfølgende modellering, Arney og hendes kolleger så på virkningerne af dis på planeter, der ligner den arkæiske jord, men som kredser om flere slags stjerner.

"Forælderstjernen kontrollerer, om der er større sandsynlighed for, at der dannes en tåge, og at dis kan have flere indvirkninger på en planets beboelighed, " sagde medforfatter Victoria Meadows, hovedefterforsker for Virtual Planetary Laboratory og en astronomiprofessor ved University of Washington.

Det ser ud som om den arkæiske jord ramte et sødt sted, hvor disen tjente som et solcremelag for planeten. Hvis solen havde været en smule varmere, som det er i dag, modelleringen antyder, at uklarhedspartiklerne ville have været større – et resultat af temperaturtilbagekoblinger, der har påvirket kemien – og ville have dannet sig mere effektivt, men ville stadig have tilbudt noget solbeskyttelse.

Det samme gjaldt ikke i alle tilfælde. Modelleringen viste, at nogle stjerner producerer så meget UV-stråling, at dis ikke kan dannes. Haze afkølede ikke planeter, der kredsede lige meget om alle typer stjerner, enten, ifølge holdets resultater. Dunkle stjerner, såsom M dværge, udsender det meste af deres energi ved bølgelængder, der passerer lige gennem atmosfærisk dis; i simuleringerne, disse planeter oplever lidt afkøling fra dis, så de nyder godt af hazes UV-afskærmning uden et større temperaturfald.

For den rigtige slags stjerne, selvom, tilstedeværelsen af ​​dis i en planets atmosfære kunne hjælpe med at markere den verden som en god kandidat til nærmere undersøgelse. Holdets simuleringer viste, at for nogle instrumenter, der er planlagt til fremtidige rumteleskoper, den spektrale signatur af uklarhed ville virke stærkere end signaturerne for nogle atmosfæriske gasser, såsom metan. Disse resultater er tilgængelige i Astrofysisk tidsskrift pr. 8. feb. 2017.

"Haze kan vise sig at være meget nyttig, når vi forsøger at indsnævre, hvilke exoplaneter der er de mest lovende for beboelighed, sagde Arney.