Spænder over discipliner i søgen efter liv ud over Jorden

Søgningen efter liv ud over Jorden rider på en bølge af kreativitet og innovation. Efter et guldrus af opdagelse af eksoplanet i løbet af de sidste to årtier, det er på tide at tage fat på det næste trin:at bestemme, hvilke af de kendte exoplaneter der er rigtige kandidater til livet.

Forskere fra NASA og to universiteter præsenterede nye resultater dedikeret til denne opgave inden for områder, der spænder over astrofysik, Jord videnskab, heliofysik og planetarisk videnskab-demonstrerer, hvordan en tværfaglig tilgang er afgørende for at finde liv i andre verdener-på efterårsmødet i American Geophysical Union den 13. december, 2017, i New Orleans, Louisiana.

"Den potentielt beboelige ejendom i universet er stærkt udvidet, "sagde Giada Arney, en astrobiolog ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi kender nu til tusinder af eksoplaneter, men det, vi ved om dem, er begrænset, fordi vi endnu ikke kan se dem direkte. "

I øjeblikket, forskere er mest afhængige af indirekte metoder til at identificere og studere eksoplaneter; sådanne metoder kan fortælle dem, om en planet er jordlignende, eller hvor tæt den er på sin forældre stjerne. Men det er endnu ikke nok til at sige, om en planet virkelig er beboelig, eller egnet til livet - til dette, forskere skal i sidste ende være i stand til at observere eksoplaneter direkte.

Direkte billeddannelsesinstrumenter og missionsdesign er i gang, men i mellemtiden, Arney forklarede, forskere gør fremskridt med værktøjer, der allerede er til deres rådighed. De bygger beregningsmodeller for at simulere, hvordan beboelige planeter kan se ud, og hvordan de ville interagere med deres forældre stjerner. For at validere deres modeller, de leder efter planeter i vores eget solsystem, som analoger til eksoplaneterne kan vi en dag opdage. Det her, selvfølgelig, omfatter Jorden selv - den planet, vi kender bedst, og den eneste vi kender til endnu, der er beboelig.

"I vores søgen efter liv på andre verdener, det er vigtigt for forskere at overveje eksoplaneter ud fra en holistisk forstand - det vil sige set fra flere disciplines perspektiv, "Arney sagde." Vi har brug for disse tværfaglige undersøgelser for at undersøge eksoplaneter som de komplekse verdener formet af flere astrofysiske, planetariske og stjerneprocesser, snarere end bare fjerne punkter på himlen. "

Studerer Jorden som en Exoplanet

Når mennesker begynder at indsamle de første direkte billeder af eksoplaneter, selv det nærmeste billede vises som en håndfuld pixels. Hvad kan vi lære om planetlivet udelukkende af et lille antal pixel?

Stephen Kane, en ekspert på eksoplaneter ved University of California, Riverside, er kommet med en måde at besvare dette spørgsmål ved hjælp af NASAs Earth Polychromatic Imaging Camera ombord på National Oceanic and Atmospheric Administration's Deep Space Climate Observatory, eller DSCOVR. Kane forklarede, at han og hans kolleger tager DSCOVRs billeder i høj opløsning-typisk brugt til at dokumentere Jordens globale vejrmønstre og andre klimarelaterede begivenheder-og nedbryder dem til billeder med kun få pixels i størrelse. Kane kører DSCOVR -billederne gennem et støjfilter, der forsøger at simulere den interferens, der forventes fra en eksoplanet -mission.

"Fra bare en håndfuld pixels, vi forsøger at udtrække så meget information, som vi ved om Jorden, som vi kan, "Sagde Kane." Hvis vi kan gøre det præcist for Jorden, vi kan gøre dette for planeter omkring andre stjerner. "

DSCOVR tager et billede hver halve time, og det har været i kredsløb i to år. Det er mere end 30, 000 billeder er langt den længste kontinuerlige registrering af fulddiskobservationer fra rummet, der findes. Ved at observere hvordan Jordens lysstyrke ændres, når det meste land er i udsigt sammenlignet med det meste vand, Kane har været i stand til at ombygge Jordens albedo, skrå, rotation og endda sæsonvariation - noget, der endnu ikke måles direkte for exoplaneter - som alle potentielt kan påvirke en planets evne til at støtte liv.

Søger andre vener

Meget hvordan forskere bruger Jorden som et casestudie for beboelige planeter, de bruger også planeter i solsystemet - og derfor planeter, de er mere fortrolige med - som undersøgelser af, hvad der gør planeter ubeboelige.

Kane studerer også Jordens søsterplanet, Venus, hvor overfladen er 850 grader Fahrenheit og atmosfæren - fyldt med svovlsyre - moser ned på overfladen med 90 gange trykket fra Jordens. Da Jorden og Venus er så tæt på størrelse og alligevel så forskellige med hensyn til deres udsigter til beboelighed, han er interesseret i at udvikle metoder til at skelne Jord- og Venus-analoger i andre planetsystemer, som en måde at identificere potentielt beboelige terrestriske planeter på.

Kane forklarede, at han arbejder på at identificere Venus -analoger i data fra NASAs Kepler ved at definere "Venus Zone, "hvor planetarisk isolation - hvor meget lys en given planet modtager fra sin værtsstjerne - spiller en central rolle i atmosfærisk erosion og drivhusgascyklusser.

"Jordens og Venus 'skæbne og deres atmosfærer er knyttet til hinanden, "Sagde Kane." Ved at søge efter lignende planeter, vi forsøger at forstå deres udvikling, og i sidste ende hvor ofte udviklende planeter ender med et Venus-lignende helvede. "

Modellering af Star-Planet-interaktioner

Mens Kane talte om planeter, Goddard rumforsker Katherine Garcia-Sage fokuserede på måden planeter interagerer med deres værtsstjerne. Forskere skal også overveje, hvordan kvaliteterne hos en værtsstjerne og en planets elektromagnetiske miljø - som kan beskytte den mod hård stjernestråling - enten hindrer eller hjælper beboelighed. Jordens magnetfelt, for eksempel, beskytter atmosfæren mod den hårde solvind, solens konstante udgydelse af ladet solmateriale, som kan fjerne atmosfæriske gasser i en proces kaldet ionosfærisk flugt.

Garcia-Sage beskrev forskning om Proxima b, en eksoplanet, der er fire lysår væk og kendt for at eksistere inden for beboelig zone af dens røde dværgstjerne, Proxima Centauri. Men bare fordi det er i den beboelige zone - den rigtige afstand fra en stjerne, hvor vand kan samle sig på en planets overflade - betyder det ikke nødvendigvis, at det er beboeligt.

Selvom forskere endnu ikke kan fortælle, om Proxima b er magnetiseret, de kan bruge beregningsmodeller til at simulere, hvor godt et jordlignende magnetfelt ville beskytte dets atmosfære ved exoplanets tætte bane til Proxima Centauri, som ofte producerer voldsomme stjernestorme. Virkningerne af sådanne storme på en given planets rummiljø er samlet kendt som rumvejr.

"Vi er nødt til at forstå en planets rumvejrsmiljø for at forstå, om en planet er beboelig, "Sagde Garcia-Sage." Hvis stjernen er for aktiv, det kan bringe en atmosfære i fare, som er nødvendig for at levere flydende vand. Men der er en fin linje:Der er noget, der tyder på, at stråling fra en stjerne kan producere byggesten for livet. "

En rød dværgstjerne - en af ​​de mest almindelige typer stjerner i vores galakse - som Proxima Centauri fjerner atmosfæren, når ekstrem ultraviolet stråling ioniserer atmosfæriske gasser, producerer et skår af elektrisk ladede partikler, der kan strømme ud i rummet langs magnetfeltlinjer.

Forskerne har beregnet, hvor meget stråling Proxima Centauri producerer i gennemsnit, baseret på observationer fra NASAs Chandra røntgenobservatorium. Ved Proxima b's bane, forskerne fandt deres jordlignende planet stødt på anfald af ekstrem ultraviolet stråling hundredvis af gange større end Jorden gør fra Solen.

Garcia-Sage og hendes kolleger designede en computermodel for at undersøge, om en jordlignende planet-med Jordens atmosfære, magnetfelt og tyngdekraft - i Proxima b's bane kunne holde på dens atmosfære. De undersøgte tre faktorer, der driver ionosfærisk flugt:stjernestråling, temperaturen i den neutrale atmosfære, og størrelsen på polarkappen, det område, som flugten sker over.

Forskerne viser, at med de ekstreme forhold, der sandsynligvis vil eksistere på Proxima b, planeten kunne miste et beløb, der svarer til hele Jordens atmosfære på 100 millioner år - kun en brøkdel af Proxima b's 4 milliarder år hidtil. Selv i det bedste tilfælde, at meget masse undslipper over 2 milliarder år, godt inden for planetens levetid.

Mars, et laboratorium til undersøgelse af eksoplaneter

Mens Garcia-Sage talte om magnetiserede planeter, David Brain, planetforsker ved University of Colorado, Kampesten, talte om Mars - en planet uden et magnetfelt.

"Mars er et fantastisk laboratorium til at tænke på eksoplaneter, "Hjerne sagde." Vi kan bruge Mars til at hjælpe med at begrænse vores tankegang om en række stenrige eksoplaneter, hvor vi ikke har observationer endnu. "

Hjernens forskning bruger observationer fra NASA's Mars Atmosphere og Volatile Evolution, eller MAVEN, mission at stille spørgsmålet:Hvordan ville Mars have udviklet sig, hvis det kredsede om en anden slags stjerne? Svaret giver oplysninger om, hvordan stenede planeter - ikke ulig vores egne - kunne udvikle sig anderledes i forskellige situationer.

Det menes, at Mars engang bar vand og en atmosfære, der kunne have gjort det gæstfri for jordlignende liv. Men Mars mistede meget af sin atmosfære over tid gennem en række kemiske og fysiske processer - MAVEN har observeret lignende atmosfærisk tab på planeten siden lanceringen i slutningen af ​​2013.

Hjerne, en MAVEN medforsker, og hans kolleger anvendte MAVENs indsigt på en hypotetisk simulering af en Mars-lignende planet, der kredser om en stjerne i M-klassen-almindeligvis kendt som en rød dværgstjerne. I denne imaginære situation, planeten ville modtage omkring fem til 10 gange mere ultraviolet stråling end den virkelige Mars gør, hvilket igen fremskynder atmosfærisk flugt til meget højere hastigheder. Deres beregninger indikerer, at planetens atmosfære kan miste tre til fem gange så mange ladede partikler og omkring fem til ti gange mere neutrale partikler.

En sådan hastighed af atmosfærisk tab tyder på, at kredsløb i udkanten af ​​den beboelige zone af en stille stjerne i M-klassen, i stedet for vores sol, kunne forkorte den beboelige periode for planeten med en faktor på omkring fem til 20.

"Men jeg ville ikke opgive håbet om stenede planeter, der kredser om dværge, "Brain sagde." Vi valgte et værst tænkeligt scenario. Mars er en lille planet, og mangler et magnetfelt, så solvind mere effektivt kan fjerne atmosfæren. Vi valgte også en Mars, der ikke er geologisk aktiv, så der er ingen indre atmosfære af kilde. Hvis du ændrede én faktor, sådan en planet kan være et lykkeligere sted. "

Hver af disse undersøgelser bidrager kun med en brik til et meget større puslespil - for at afgøre, hvilke egenskaber vi skal kigge efter, og skal erkende, på jagt efter en planet, der kan understøtte livet. Sammen, sådan tværfaglig forskning danner grundlag for at sikre, at efterhånden som nye missioner for at observere eksoplaneter tydeligere udvikles, vi vil være klar til at afgøre, om de måske bare er vært for livet.