Forskere går ind for statistisk tilgang til at søge efter jordlignende planeter

Et hold af astronomer ved University of Chicago og Grinnell College forsøger at ændre den måde, videnskabsmænd nærmer sig søgen efter jordlignende planeter, der kredser om andre stjerner end solen. De foretrækker at tage en statistisk komparativ tilgang til at søge beboelige planeter og liv uden for solsystemet.

"Bevisets natur bør ikke være:'Kan vi pege på en planet og sige, Ja eller nej, det er planeten, der er vært for fremmede liv, "sagde Jacob Bean, lektor i astronomi og astrofysik ved UChicago. "Det er en statistisk øvelse. Hvad kan vi sige for et ensemble af planeter om hyppigheden af ​​eksistensen af ​​beboelige miljøer, eller hyppigheden af ​​eksistensen af ​​liv på disse planeter?"

Standardtilgangen til at forske i exoplaneter, eller planeter, der kredser om fjerne stjerner, har medført at studere et lille antal genstande for at afgøre, om de har de rigtige gasser i de passende mængder og forhold til at indikere eksistensen af ​​liv. Men i en nylig artikel med medforfattere Dorian Abbot og Eliza Kempton i Astrofysiske tidsskriftsbreve , Bean beskriver behovet for "at tænke over astronomiens teknikker og tilgange i dette spil - ikke som planetariske videnskabsmænd, der studerer exoplaneter."

"Naturen har givet os et stort antal planetsystemer, " sagde Kempton, en assisterende professor i fysik ved Grinnell College i Iowa. "Hvis vi undersøger et stort antal planeter med mindre detaljerede målinger, vi kan stadig få en statistisk fornemmelse af, hvor udbredte beboelige miljøer er i vores galakse. Dette vil give os et grundlag for fremtiden, mere detaljerede undersøgelser."

Kempton og Bean vidner om udfordringerne ved at lave detaljerede observationer af en potentielt jordlignende planet. Sammen har de tidligere studeret superjorden kendt som GJ 1214b, en exoplanet med en masse større end Jordens, men mindre end gasgiganter som Neptun og Uranus. GJ 1214b viste sig at være ganske uklar, hvilket forhindrede dem i at bestemme sammensætningen af ​​dens atmosfære.

"En stor statistisk undersøgelse vil give os mulighed for at se på mange planeter, " sagde Kempton. "Hvis et enkelt objekt viser sig at være særligt udfordrende at observere, ligesom GJ 1214b, det vil ikke være et stort tab for observationsprogrammet som helhed."

Kepler-observatoriet er en game-changer

Inspirationen til papiret stammede fra Beans medlemskab af Science and Technology Definition Team, der vurderer potentialet for et nyt rumteleskop, NASAs foreslåede Large UV/Optical/Infrared Survey (LUVOIR).

En af LUVOIRs videnskabelige prioriteter er søgningen efter jordlignende planeter. Under et teammøde, Bean og hans kolleger listede alle egenskaberne af en potentielt beboelig exoplanet, som de skal måle, og hvordan de ville gå frem for at få dataene. I lyset af den nuværende teknologiske tilstand, Bean konkluderede, at det er usandsynligt, at videnskabsmænd vil være i stand til at bekræfte en individuel exoplanet som egnet til liv, eller om liv faktisk er der.

Alligevel, astronomer har samlet en imponerende mængde exoplanetariske data fra NASAs Kepler rumobservatorium, som har fungeret siden 2009.

"Kepler ændrede spillet fuldstændigt, " sagde Bean. "I stedet for at tale om nogle få planeter eller et par snesevis af planeter, pludselig havde vi et par tusinde planetkandidater. De var planetkandidater, fordi Kepler bestemt ikke kunne bevise, at det signal, det så, skyldtes planeter. "

Standardtilgangen har været at tage yderligere observationer for hver kandidat for at udelukke mulige falske positive scenarier, eller at opdage planeten med en anden teknik.

"Det går meget langsomt. Én planet ad gangen, mange forskellige observationer, " bemærkede Bean. Men et alternativ er at lave statistiske beregninger for sandsynligheden for falske positiver blandt disse tusindvis af exoplanetkandidater. Den nye tilgang førte direkte til en god forståelse af frekvensen af ​​exoplaneter af forskellig størrelse. F.eks. Forskere kan nu sige, at frekvensen af ​​planeter af superjordtypen er 15 procent, plus eller minus 5 pct.

Spektroskopiens rolle

Spektroskopiske undersøgelser spiller en nøglerolle i karakteriseringen af ​​exoplaneter. Dette involverer at bestemme sammensætningen af ​​en planetarisk atmosfære ved at måle dens spektre, den karakteristiske stråling, som gasser absorberer ved deres egne særlige bølgelængder. Bean og hans medforfattere foreslår at fokusere på, hvad der kan læres ved at måle spektrene af et stort ensemble af terrestriske exoplaneter.

Spektroskopi kan, for eksempel, hjælpe exoplanetariske forskere med at verificere et fænomen kaldet silikatforvitringsfeedback, som fungerer som en planettermostat. Gennem silikatforvitring, mængden af ​​atmosfærisk kuldioxid varierer afhængigt af geologiske processer. Vulkaner udsender kuldioxid til atmosfæren, men regn og kemiske reaktioner, der opstår i klipper og sedimenter, fjerner også gassen fra atmosfæren.

Stigende temperaturer ville bringe mere vanddamp ud i atmosfæren, som så regner ud, øge mængden af ​​opløst kuldioxid, der kemisk interagerer med klipperne. Dette tab af kuldioxid fra atmosfæren har en kølende effekt. Men da en planet begynder at afkøle, klippeforvitring aftager, og mængden af ​​kuldioxid opbygges gradvist fra dens vulkanske kilder, hvilket forårsager stigende temperaturer.

Globale observationer tyder på, at Jorden har oplevet silikatforvitringsfeedback. Men forsøg på at verificere, at processen kører i dag i omfang af individuelle vandløbsoplande, har vist sig at være svært.

"Resultaterne er meget støjende. Der er intet klart signal, " sagde Abbed. "Det ville være dejligt at få endnu en uafhængig bekræftelse fra exoplaneter."

Alle tre medforfattere er interesserede i at uddybe detaljerne i eksperimenter, de foreslog i deres papir. Abbot planlægger at beregne, hvor meget kuldioxid der ville være nødvendigt for at holde en planet beboelig ved en række af stjernernes strålingsintensiteter, mens forskellige planetariske parametre ændres. Han vil også vurdere, hvor godt et fremtidigt instrument ville være i stand til at måle gassen.

"Så vil vi sætte dette sammen for at se, hvor mange planeter vi skal observere for at opdage tendensen, der indikerer en silikat-forvitringsfeedback, " Forklarede Abbed.

Bean og Kempton, imens, er interesseret i at beskrive, hvad en statistisk optælling af biologisk signifikante gasser såsom oxygen, kuldioxid og ozon kunne afsløre om planetarisk beboelighed.

"Jeg vil gerne have en bedre forståelse af, hvordan nogle af de næste generations teleskoper vil kunne skelne mellem statistiske tendenser, der angiver beboelige-eller beboede-planeter, " sagde Kempton.