Første undersøgelse til at kombinere 3-D klimamodellering med kemi forfiner hvilke exoplaneter der potentielt er beboelige

For at søge efter liv i det ydre rum, astronomer skal først vide, hvor de skal lede. En ny undersøgelse fra Northwestern University vil hjælpe astronomer med at indsnævre søgningen.

Forskerholdet er det første, der kombinerer 3D-klimamodellering med atmosfærisk kemi for at udforske planeternes beboelighed omkring M dværgstjerner, som udgør omkring 70% af den samlede galaktiske befolkning. Ved at bruge dette værktøj, forskerne har omdefineret de forhold, der gør en planet beboelig, ved at tage højde for stjernens stråling og planetens rotationshastighed.

Blandt dens resultater, det nordvestlige hold, i samarbejde med forskere ved University of Colorado Boulder, NASA's Virtual Planet Laboratory og Massachusetts Institute of Technology, opdagede, at kun planeter, der kredser om aktive stjerner - dem, der udsender meget ultraviolet (UV) stråling - mister betydeligt vand til fordampning. Planeter omkring inaktive, eller stille, stjerner er mere tilbøjelige til at opretholde livsopretholdende flydende vand.

Forskerne fandt også ud af, at planeter med tynde ozonlag, som ellers har beboelige overfladetemperaturer, modtage farlige niveauer af UV-doser, gør dem farlige for kompleks overfladelevetid.

"I det meste af menneskehedens historie, Spørgsmålet om, hvorvidt der eksisterer liv andre steder, har kun hørt til inden for det filosofiske område, " sagde Northwesterns Howard Chen, undersøgelsens første forfatter. "Det er først i de senere år, at vi har haft modelleringsværktøjer og observationsteknologi til at løse dette spørgsmål."

"Stadig, der er mange stjerner og planeter derude, hvilket betyder, at der er mange mål, " tilføjede Daniel Horton, seniorforfatter af undersøgelsen. "Vores undersøgelse kan hjælpe med at begrænse antallet af steder, vi har til at pege vores teleskoper."

Forskningen vil blive offentliggjort online den 14. november i Astrofysisk tidsskrift .

Horton er assisterende professor i jord- og planetvidenskab ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Chen er ph.d. kandidat i Northwesterns Climate Change Research Group og en fremtidig efterforsker fra NASA.

'Goldilocks zone'

For at opretholde et komplekst liv, planeter skal være i stand til at opretholde flydende vand. Hvis en planet er for tæt på sin stjerne, så vil vandet fordampe fuldstændigt. Hvis en planet er for langt fra sin stjerne, så fryser vandet, og drivhuseffekten vil ikke være i stand til at holde overfladen varm nok for livet. Dette Guldlok-område kaldes den "cirkumstellære beboelige zone, " et udtryk opfundet af professor James Kasting fra Penn State University.

Forskere har arbejdet på at finde ud af, hvor tæt der er for tæt på, at en planet kan opretholde flydende vand. Med andre ord, de leder efter den beboelige zones "indre kant."

"Den indre kant af vores solsystem er mellem Venus og Jorden, Chen forklarede. "Venus er ikke beboelig; Jorden er."

Horton og Chen kigger ud over vores solsystem for at udpege de beboelige zoner i M dværgstjernesystemer. Fordi de er mange og nemmere at finde og undersøge, M dværgplaneter er dukket op som frontløbere i jagten på beboelige planeter. De får deres navn fra de små, fedt nok, dunkle stjerner, som de kredser omkring, kaldet M-dværge eller "røde dværge".

Afgørende kemi

Andre forskere har karakteriseret atmosfærerne på M dværgplaneter ved at bruge både 1D og 3D globale klimamodeller. Disse modeller bruges også på Jorden til bedre at forstå klima og klimaændringer. Tidligere 3-D undersøgelser af stenede exoplaneter, imidlertid, er gået glip af noget vigtigt:kemi.

Ved at koble 3-D klimamodellering med fotokemi og atmosfærisk kemi, Horton og Chen konstruerede et mere komplet billede af, hvordan en stjernes UV-stråling interagerer med gasser, herunder vanddamp og ozon, i planetens atmosfære.

I deres simuleringer, Horton og Chen fandt ud af, at en stjernes stråling spiller en afgørende faktor for, om en planet er beboelig eller ej. Specifikt, de opdagede, at planeter, der kredser om aktive stjerner, er sårbare over for at miste betydelige mængder vand på grund af fordampning. Dette står i skærende kontrast til tidligere forskning, der bruger klimamodeller uden aktiv fotokemi.

Holdet fandt også ud af, at mange planeter i den circumstellar beboelige zone ikke kunne opretholde liv på grund af deres tynde ozonlag. På trods af at have ellers beboelige overfladetemperaturer, disse planeters ozonlag tillader for meget UV-stråling at passere igennem og trænge ned til jorden. Niveauet af stråling ville være farligt for overfladens levetid.

"3-D fotokemi spiller en enorm rolle, fordi den giver opvarmning eller afkøling, som kan påvirke termodynamikken og måske den atmosfæriske sammensætning af et planetsystem, " sagde Chen. "Denne slags modeller er slet ikke blevet brugt i exoplanetlitteraturen, der studerer klippeplaneter, fordi de er så beregningsmæssigt dyre. Andre fotokemiske modeller, der studerer meget større planeter, såsom gasgiganter og varme Jupiters, viser allerede, at man ikke kan negligere kemi, når man undersøger klima."

"Det har også været svært at tilpasse disse modeller, fordi de oprindeligt var designet til jordbaserede forhold, " sagde Horton. "At ændre grænsebetingelserne og stadig få modellerne til at køre med succes har været udfordrende."

"Er vi alene?"

Horton og Chen mener, at denne information vil hjælpe observationsastronomer i jagten på liv andre steder. Instrumenter, såsom Hubble Space Telescope og James Webb Space Telescope, har evnen til at detektere vanddamp og ozon på exoplaneter. De skal bare vide, hvor de skal lede.

"'Er vi alene?" er et af de største ubesvarede spørgsmål, " sagde Chen. "Hvis vi kan forudsige, hvilke planeter der er mest tilbøjelige til at være vært for liv, så kommer vi måske så meget tættere på at besvare det inden for vores liv."