Hvilke beboelige zoner er de bedste til rent faktisk at søge efter liv?

Ser på fremtiden, NASA og andre rumorganisationer har store forhåbninger til området for forskning i ekstra-solar planeter. I det seneste årti, antallet af kendte exoplaneter er lige nået op på 4000, og mange flere forventes at blive fundet, når næste generations teleskoper tages i brug. Og med så mange exoplaneter at studere, forskningsmål er langsomt flyttet væk fra opdagelsesprocessen og hen imod karakterisering.

Desværre, videnskabsmænd er stadig plaget af det faktum, at det, vi anser for at være en "beboelig zone", er underlagt en masse antagelser. adresserer dette, et internationalt hold af forskere offentliggjorde for nylig en artikel, hvori de indikerede, hvordan fremtidige exoplanetundersøgelser kunne se ud over Jord-analoge eksempler som indikationer på beboelighed, og vedtage en mere omfattende tilgang.

Papiret, med titlen "Habitable Zone forudsigelser og hvordan man tester dem, " optrådte for nylig online og blev indsendt som en hvidbog til Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Holdet bag det blev ledet af Ramses M. Ramirez, en forsker ved Earth-Life Science Institute (ELSI) og Space Science Institute (SSI), som fik følgeskab af medforfattere og medunderskrivere fra 23 universiteter og institutioner.

Formålet med årtieundersøgelsen er at overveje tidligere fremskridt inden for forskellige forskningsområder og at sætte prioriteter for det kommende årti. Som sådan, undersøgelsen giver afgørende vejledning til NASA, National Space Foundation (NSF), og Institut for Energi, når de planlægger deres astronomi- og astrofysiske forskningsmål for fremtiden.

På nuværende tidspunkt mange af disse mål fokuserer på studiet af exoplaneter, som i de kommende år vil drage fordel af udbredelsen af ​​næste generations teleskoper som James Webb Space Telescope (JWST) og Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), samt jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), det tredive meter teleskop, og Giant Magellan Telescope (GMT).

En af de altoverskyggende prioriteter for exoplanetforskning er at lede efter planeter, hvor der kan eksistere liv uden for jorden. I denne henseende, videnskabsmænd udpeger planeter som værende "potentielt beboelige" (og derfor værdige til opfølgende observationer) baseret på, hvorvidt de kredser inden for deres stjerners beboelige zoner (HZ). Af denne grund, det er klogt at tage et kig på, hvad der går ud på at definere en HZ.

Som Ramirez og hans kolleger antydede i deres papir, et af de største problemer med exoplanets beboelighed er antallet af antagelser. For at bryde det ned, de fleste definitioner af HZ'er antager tilstedeværelsen af ​​vand på overfladen, da dette er det eneste opløsningsmiddel, der i øjeblikket er kendt for at være vært for liv. De samme definitioner antager, at liv kræver en klippeplanet med tektonisk aktivitet, der kredser om en passende lys og varm stjerne.

Imidlertid, nyere forskning har sået tvivl om mange af disse antagelser. Dette inkluderer undersøgelser, der indikerer, at atmosfærisk oxygen ikke automatisk betyder tilstedeværelsen af ​​liv - især hvis denne oxygen er resultatet af kemisk dissociation og ikke fotosyntese. Anden forskning har vist, at tilstedeværelsen af ​​iltgas i de tidlige perioder af en planets udvikling kunne forhindre fremkomsten af ​​grundlæggende livsformer.

Også, der har været nyere undersøgelser, der viser, at pladetektonik måske ikke er nødvendig for at liv kan opstå, og at såkaldte "vandverdener" måske ikke er i stand til at understøtte liv (men stadig kunne). Oven i alt det, du har teoretisk arbejde, der tyder på, at liv kunne udvikle sig i hav af metan eller ammoniak på andre himmellegemer.

Nøgleeksemplet her er Saturns måne Titan, som kan prale af et miljø, der er rigt på præbiotiske forhold og organisk kemi, som nogle videnskabsmænd mener kunne understøtte eksotiske livsformer. Til sidst, forskere søger efter kendte biomarkører som vand og kuldioxid, fordi de er forbundet med livet på jorden, det eneste kendte eksempel på en liv-bærende planet.

Men som Ramirez forklarede til Universe Today via e-mail, denne tankegang (hvor jordanaloger anses for at være egnede til livet) er stadig fyldt med problemer:

"Den klassiske definition af beboelig zone er mangelfuld, fordi dens konstruktion hovedsageligt er baseret på jord-centrerede klimatologiske argumenter, der kan eller måske ikke kan anvendes på andre potentielt beboelige planeter. For eksempel, den antager, at multi-bar CO2 atmosfærer kan understøttes på potentielt beboelige planeter nær den beboelige zones yderkant. Imidlertid, så høje CO2-niveauer er giftige for jordens planter og dyr, og dermed uden en bedre forståelse af livets grænser, vi ved ikke, hvor rimelig denne antagelse er.

"Den klassiske HZ antager også, at CO2 og H2O er de vigtigste drivhusgasser, der opretholder potentielt beboelige planeter, men flere undersøgelser i de senere år har udviklet alternative HZ-definitioner ved hjælp af forskellige kombinationer af drivhusgasser, herunder dem, der selvom det er relativt lille på jorden, kunne være vigtig for andre potentielt beboelige planeter."

I en tidligere undersøgelse, Dr. Ramirez viste, at tilstedeværelsen af ​​metan og brintgas også kunne forårsage global advarsel, og dermed udvide den klassiske HZ noget. Dette skete blot et år efter, at han og Lisa Kaltenegger (lektor ved Carl Sagan Institute ved Cornell University) lavede en undersøgelse, der viser, at vulkansk aktivitet (som frigiver brintgas til atmosfæren) også kunne udvide en stjernes HZ.

Heldigvis, forskere vil have mulighed for at teste disse definitioner, takket være indsættelsen af ​​næste generations teleskoper. Ikke alene vil videnskabsmænd være i stand til at teste nogle af de mangeårige antagelser, som HZ'er er baseret på, de vil være i stand til at sammenligne forskellige fortolkninger. Ifølge Dr. Ramirez, et godt eksempel er niveauerne af CO2-gas, der er afhængige af en planets afstand fra dens stjerne:

"Næste generations teleskoper kunne teste den beboelige zone ved at søge efter en forudsagt stigning i atmosfærisk CO2-tryk jo længere væk, potentielt beboelige planeter er fra deres stjerner. Dette ville også teste, om carbonat-silikat-cyklussen, hvilket er, hvad mange tror har holdt vores planet beboelig i meget af dens historie, er en universel proces eller ej."

I denne proces, silikatsten omdannes til kulstofsten gennem forvitring og erosion, mens kulstofbjergarter omdannes til silikatbjergarter gennem vulkansk og geologisk aktivitet. Denne cyklus sikrer den langsigtede stabilitet af Jordens atmosfære ved at holde CO2-niveauet ensartet over tid. Det illustrerer også, at vand og pladetektonik er afgørende for livet, som vi kender det.

Imidlertid, denne type cyklus kan kun eksistere på planeter, der har land, som effektivt udelukker "vandverdener". Disse exoplaneter - som kan være almindelige omkring M-type (røde dværg) stjerner - menes at være op til 50 procent vand i masse. Med denne mængde vand på deres overflader, "vandverdener" har sandsynligvis tætte lag af is ved deres kerne-kappe grænse, forhindrer således hydrotermisk aktivitet.

Men som allerede nævnt, der er noget forskning, der indikerer, at disse planeter stadig kan være beboelige. Mens overfloden af ​​vand ville forhindre absorption af kuldioxid af klipper og undertrykke vulkansk aktivitet, simuleringer har vist, at disse planeter stadig kan cirkulere kulstof mellem atmosfæren og havet, dermed holde klimaet stabilt.

Hvis disse typer havverdener eksisterer, siger Dr. Ramirez, videnskabsmænd kunne opdage dem gennem deres lavere planettæthed og højtryksatmosfære. Og så er der spørgsmålet om forskellige drivhusgasser, som ikke altid er en indikation af varmere planetariske atmosfærer, afhængig af typen af ​​stjerne.

"Selvom metan varmer vores planet, vi fandt ud af, at metan faktisk afkøler overfladerne på planeter i beboelig zone, der kredser om røde dværgstjerner, " sagde han. "Hvis det er tilfældet, høje atmosfæriske metanmængder på sådanne planeter kan betyde frosne forhold, der måske er uegnede til at være vært for liv. Vi vil være i stand til at observere dette i planetariske spektre."

Apropos røde dværge, debatten raser om hvorvidt planeter, der kredser om disse stjerner, ville være i stand til at opretholde en atmosfære. I de seneste år, flere opdagelser har antydet, at stenet, tidevandslåste planeter er almindelige omkring røde dværgstjerner, og at de kredser inden for deres stjerners respektive HZ'er.

Imidlertid, Efterfølgende forskning har forstærket teorien om, at ustabiliteten af ​​røde dværgstjerner sandsynligvis ville resultere i soludbrud, der ville fjerne atmosfæren af ​​enhver planet, der kredser om dem. Til sidst, Ramirez og hans kolleger rejser muligheden for, at beboelige planeter kunne findes i kredsløb om hovedsekvens type-A stjerner, som indtil for nylig har været betragtet som usandsynlige kandidater. Hovedsekvens type-A stjerner Sirius A, Altair, og Vega blev anset for at være for lyst og varmt til at være beboeligt.

Ramirez siger, "Jeg er også interesseret i at finde ud af, om der eksisterer liv på planeter i beboelig zone, der kredser om A-stjerner. Der har ikke været en masse offentliggjorte vurderinger af A-stjernes planetariske beboelighed, men nogle næste generations arkitekturer planlægger at observere dem. Vi vil snart lære mere om A-stjernernes egnethed til livet."

Ultimativt, undersøgelser som denne, som sætter spørgsmålstegn ved definitionen af ​​"beboelig zone, " vil være praktisk, når næste generations missioner starter videnskabelige operationer. Med højere opløsning, mere følsomme instrumenter, de vil være i stand til at teste og validere mange af de forudsigelser, der er blevet lavet af videnskabsmænd.

Disse tests vil også bekræfte, om liv kun kunne eksistere derude, som vi kender det, eller også ud over de parametre, som vi anser for at være "jordlignende". Ramirez siger, at undersøgelsen, som han og hans kolleger udførte, også fremhæver, hvor vigtigt det er, at vi fortsætter med at investere i avanceret teleskopteknologi:

"Vores papir understreger også vigtigheden af ​​en fortsat investering i avanceret teleskopteknologi. Vi skal være i stand til at finde og karakterisere så mange beboelige zoneplaneter som muligt, hvis vi ønsker at maksimere vores chancer for at finde liv. Jeg håber også, at vores papir inspirerer folk til at drømme ud over blot de næste 10 år. Jeg tror virkelig på, at der i sidste ende vil være missioner, der vil være langt mere dygtige end noget andet, vi er ved at designe. Vores nuværende indsats er kun begyndelsen på en meget mere engageret indsats for vores art."

Decadal Survey-mødet i 2020 afholdes i fællesskab af Board of Physics and Astronomy og Space Studies Board for National Academy of Sciences, og vil blive efterfulgt af en rapport, der vil blive frigivet omkring to år fra nu.