Ny NASA-undersøgelse forbedrer søgningen efter beboelige verdener

Ny NASA-forskning hjælper med at forbedre vores forståelse af kandidatplaneter ud over vores solsystem, der kan understøtte liv.

"Ved at bruge en model, der mere realistisk simulerer atmosfæriske forhold, vi opdagede en ny proces, der kontrollerer beboeligheden af ​​exoplaneter og vil guide os i at identificere kandidater til yderligere undersøgelse, " sagde Yuka Fujii fra NASAs Goddard Institute for Space Studies (GISS), New York, New York og Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology, Japan, hovedforfatter til et papir om forskningen offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift 17. okt.

Tidligere modeller simulerede atmosfæriske forhold langs én dimension, den lodrette. Ligesom nogle andre nylige undersøgelser af beboelighed, den nye forskning brugte en model, der beregner forhold i alle tre dimensioner, giver holdet mulighed for at simulere atmosfærens cirkulation og de særlige træk ved denne cirkulation, hvilket endimensionelle modeller ikke kan. Det nye arbejde vil hjælpe astronomer med at tildele knappe observationstid til de mest lovende kandidater til beboelighed.

Flydende vand er nødvendigt for livet, som vi kender det, så overfladen af ​​en fremmed verden (f.eks. en exoplanet) anses for potentielt beboelig, hvis dens temperatur tillader flydende vand at være til stede i tilstrækkelig tid (milliarder af år) til at tillade livet at trives. Hvis exoplaneten er for langt fra sin moderstjerne, det bliver for koldt, og dens oceaner vil fryse. Hvis exoplaneten er for tæt på, lyset fra stjernen vil være for intenst, og dens oceaner vil til sidst fordampe og gå tabt til rummet. Dette sker, når vanddamp stiger til et lag i den øvre atmosfære kaldet stratosfæren og bliver brudt ind i dets elementære komponenter (brint og oxygen) af ultraviolet lys fra stjernen. De ekstremt lette brintatomer kan så undslippe til rummet. Planeter, der er i færd med at miste deres oceaner på denne måde, siges at være gået ind i en "fugtig drivhustilstand" på grund af deres fugtige stratosfærer.

For at vanddamp kan stige til stratosfæren, tidligere modeller forudsagde, at langsigtede overfladetemperaturer skulle være større end noget, der opleves på Jorden - over 150 grader Fahrenheit (66 grader Celsius). Disse temperaturer ville drive intense konvektive storme; imidlertid, det viser sig, at disse storme ikke er grunden til, at vandet når stratosfæren for langsomt roterende planeter, der går ind i en fugtig drivhustilstand.

"Vi fandt en vigtig rolle for den type stråling, en stjerne udsender, og den effekt, den har på den atmosfæriske cirkulation af en exoplanet i at skabe den fugtige drivhustilstand, " sagde Fujii. For exoplaneter, der kredser tæt på deres moderstjerner, en stjernes tyngdekraft vil være stærk nok til at bremse en planets rotation. Dette kan få den til at blive tidevandslåst, med den ene side altid vendt mod stjernen - giver den evig dag - og den ene side altid vendt væk -giver den evig nat.

Når dette sker, tykke skyer dannes på planetens dagside og fungerer som en parasol for at skærme overfladen mod meget af stjernelyset. Selvom dette kunne holde planeten kølig og forhindre vanddamp i at stige, holdet fandt ud af, at mængden af ​​nær-infrarød stråling (NIR) fra en stjerne kunne give den varme, der er nødvendig for at få en planet til at gå ind i den fugtige drivhustilstand. NIR er en type lys, der er usynlig for det menneskelige øje. Vand som damp i luft og vanddråber eller iskrystaller i skyer absorberer kraftigt NIR-lys, opvarmning af luften. Når luften varmer, det stiger, fører vandet op i stratosfæren, hvor det skaber det fugtige drivhus.

Denne proces er især relevant for planeter omkring stjerner med lav masse, der er køligere og meget svagere end Solen. At være beboelig, planeter skal være meget tættere på disse stjerner, end vores Jord er på Solen. På så tæt hold, disse planeter oplever sandsynligvis stærkt tidevand fra deres stjerne, få dem til at rotere langsomt. Også, jo køligere en stjerne er, jo mere NIR udsender den. Den nye model viste, at da disse stjerner udsender hovedparten af ​​deres lys ved NIR-bølgelængder, en fugtig drivhustilstand vil endda resultere i forhold, der kan sammenlignes med eller noget varmere end Jordens troper. For exoplaneter tættere på deres stjerner, holdet fandt ud af, at den NIR-drevne proces gradvist øgede fugtigheden i stratosfæren. Så, er det muligt, i modsætning til gamle modellers forudsigelser, at en exoplanet tættere på sin moderstjerne kunne forblive beboelig.

Dette er en vigtig observation for astronomer, der søger efter beboelige verdener, da lavmassestjerner er de mest almindelige i galaksen. Deres store antal øger chancerne for, at der kan findes en beboelig verden blandt dem, og deres lille størrelse øger chancen for at detektere planetariske signaler.

Det nye arbejde vil hjælpe astronomer med at screene de mest lovende kandidater i søgen efter planeter, der kan understøtte liv. "Så længe vi kender stjernens temperatur, vi kan vurdere, om planeter tæt på deres stjerner har potentiale til at være i den fugtige drivhustilstand, " sagde Anthony Del Genio fra GISS, medforfatter til papiret. "Nuværende teknologi vil blive presset til det yderste for at detektere små mængder vanddamp i en exoplanets atmosfære. Hvis der er nok vand til at blive opdaget, det betyder sandsynligvis, at planeten er i den fugtige drivhustilstand."

I dette studie, forskere antog en planet med en atmosfære som Jorden, men helt dækket af oceaner. These assumptions allowed the team to clearly see how changing the orbital distance and type of stellar radiation affected the amount of water vapor in the stratosphere. I fremtiden, the team plans to vary planetary characteristics such as gravity, størrelse, atmospheric composition, and surface pressure to see how they affect water vapor circulation and habitability.