Hvordan jordens klimamodeller hjælper med at forestille livet i utænkelige verdener

I en generisk murstensbygning på den nordvestlige kant af NASAs Goddard Space Flight Center-campus i Greenbelt, Maryland, tusindvis af computere pakket i stativer på størrelse med automater brummer i et øredøvende kor af knasende data. Dag og nat, de spytter ud 7 quadrillioner beregninger i sekundet. Disse maskiner er tilsammen kendt som NASAs Discover-supercomputer, og de har til opgave at køre sofistikerede klimamodeller for at forudsige Jordens fremtidige klima.

Men nu, de suser også noget længere væk:om nogen af ​​de mere end 4, 000 mærkeligt mærkelige planeter ud over vores solsystem opdaget i de sidste to årtier kunne understøtte liv.

Forskere finder ud af, at svaret ikke kun er ja, men at det er ja under en række overraskende forhold sammenlignet med Jorden. Denne åbenbaring har fået mange af dem til at kæmpe med et spørgsmål, der er afgørende for NASA's søgen efter liv hinsides Jorden. Er det muligt, at vores forestillinger om, hvad der gør en planet egnet til liv, er for begrænsende?

Den næste generation af kraftfulde teleskoper og rumobservatorier vil helt sikkert give os flere spor. Disse instrumenter vil gøre det muligt for videnskabsmænd for første gang at analysere atmosfæren på de mest fristende planeter derude:stenede, som Jorden, der kunne have en væsentlig ingrediens for liv - flydende vand - der flyder på deres overflader.

Indtil videre, det er svært at undersøge fjerntliggende atmosfærer. Sender et rumfartøj til den nærmeste planet uden for vores solsystem, eller exoplanet, ville tage 75, 000 år med nutidens teknologi. Selv med kraftige teleskoper er nærliggende exoplaneter praktisk talt umulige at studere i detaljer. Problemet er, at de er for små og for overdøvede af deres stjerners lys til, at videnskabsmænd kan se de svage lyssignaturer, de reflekterer – signaturer, der kunne afsløre kemien i livet ved overfladen.

Med andre ord, opdager ingredienserne i atmosfærerne omkring disse fantomplaneter, som mange forskere gerne vil påpege, er som at stå i Washington, D.C., og forsøger at skimte en ildflue ved siden af ​​et søgelys i Los Angeles. Denne virkelighed gør klimamodeller afgørende for udforskning, sagde exoplanetarisk chefforsker Karl Stapelfeldt, som er baseret på NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien.

"Modellerne gør specifikke, testbare forudsigelser af, hvad vi bør se, " sagde han. "Disse er meget vigtige for at designe vores fremtidige teleskoper og observere strategier."

Er solsystemet en god rollemodel?

Ved at scanne kosmos med store jordbaserede teleskoper og rumteleskoper, astronomer har opdaget et eklektisk udvalg af verdener, der synes hentet fra fantasien.

"I lang tid, videnskabsmænd var virkelig fokuseret på at finde sol- og jordlignende systemer. Det var alt, vi vidste, " sagde Elisa Quintana, en NASA Goddard-astrofysiker, der ledede opdagelsen i 2014 af planeten Kepler-186f på størrelse med Jorden. "Men vi fandt ud af, at der er hele denne skøre mangfoldighed i planeter. Vi fandt planeter så små som Månen. Vi fandt kæmpeplaneter. Og vi fandt nogle, der kredser om små stjerner, kæmpe stjerner og flere stjerner."

Ja, de fleste af planeterne opdaget af NASAs Kepler-rumteleskop og den nye Transiting Exoplanet Survey Satellite, samt jordbaserede observationer, eksisterer ikke i vores solsystem. De falder mellem størrelsen af ​​en jordisk jord og en gasformig Uranus, som er fire gange større end denne planet.

Planeter nærmest Jorden i størrelse, og højst sandsynligt i teorien at have beboelige forhold, indtil videre kun fundet omkring "røde dværg" stjerner, som udgør langt størstedelen af ​​stjerner i galaksen. Men det er sandsynligvis fordi røde dværge er mindre og svagere end Solen, så signalet fra planeter, der kredser om dem, er lettere for teleskoper at opdage.

Fordi røde dværge er små, planeter er nødt til at lappe ubehageligt tæt på – tættere på Solen end Merkur er – for at forblive gravitationsmæssigt knyttet til dem. Og fordi røde dværge er seje, sammenlignet med alle andre stjerner, planeter skal være tættere på dem for at trække nok varme til at flydende vand kan samle sig på deres overflader.

Blandt de mest dragende nyere opdagelser i røde dværgsystemer er planeter som Proxima Centauri b, eller blot Proxima b. Det er den nærmeste exoplanet. Der er også syv klippeplaneter i det nærliggende system TRAPPIST-1. Hvorvidt disse planeter kunne opretholde liv eller ej, er stadig et spørgsmål om debat. Forskere påpeger, at røde dværge kan udspy op til 500 gange mere skadelig ultraviolet og røntgenstråling på deres planeter, end Solen udsender ind i solsystemet. På forsiden af ​​det, dette miljø ville fjerne atmosfærer, fordampe oceaner og stege DNA på enhver planet tæt på en rød dværg.

Endnu, måske ikke. Jordens klimamodeller viser, at stenede exoplaneter omkring røde dværge kan være beboelige på trods af strålingen.

Magien er i skyerne

Anthony Del Genio er en nyligt pensioneret planetarisk klimaforsker fra NASAs Goddard Institute for Space Studies i New York City. I løbet af sin karriere simulerede han klimaet på Jorden og andre planeter, inklusive Proxima b.

Del Genios team simulerede for nylig mulige klimaer på Proxima b for at teste, hvor mange der ville lade det være varmt og vådt nok til at være vært for livet. Denne type modelleringsarbejde hjælper NASA-forskere med at identificere en håndfuld lovende planeter, der er værdige til mere streng undersøgelse med NASAs kommende James Webb-rumteleskop.

"Mens vores arbejde ikke kan fortælle observatører, om nogen planet er beboelig eller ej, vi kan fortælle dem, om en planet ligger i mellemklassen af ​​gode kandidater til at søge videre, " sagde Del Genio.

Proxima b kredser om Proxima Centauri i et trestjernet system, der ligger kun 4,2 lysår fra Solen. Udover det, videnskabsmænd ved ikke meget om det. De tror, ​​det er stenet, baseret på dens anslåede masse, som er lidt større end Jordens. Forskere kan udlede massen ved at se, hvor meget Proxima b trækker i sin stjerne, mens den kredser om den.

Problemet med Proxima b er, at den er 20 gange tættere på sin stjerne, end Jorden er på Solen. Derfor, det tager planeten kun 11,2 dage at lave en bane (Jorden tager 365 dage at kredse om Solen én gang). Fysik fortæller videnskabsmænd, at dette hyggelige arrangement kunne efterlade Proxima b gravitationsmæssigt låst til sin stjerne, ligesom Månen er gravitationsmæssigt låst til Jorden. Hvis sandt, den ene side af Proxima b vender mod stjernens intense stråling, mens den anden fryser i rummets mørke i en planetarisk opskrift, der ikke lover godt for liv på begge sider.

Men Del Genios simuleringer viser, at Proxima b, eller enhver planet med lignende egenskaber, kunne være beboelig på trods af de kræfter, der konspirerede imod det. "Og skyerne og oceanerne spiller en grundlæggende rolle i det, " sagde Del Genio.

Del Genios team opgraderede en jordklimamodel, som først blev udviklet i 1970'erne for at skabe en planetsimulator kaldet ROCKE-3-D. Om Proxima b har en atmosfære er et åbent og kritisk spørgsmål, som forhåbentlig vil blive afgjort af fremtidige teleskoper. Men Del Genios team antog, at det gør.

Med hver simulering varierede Del Genios team typerne og mængderne af drivhusgasser i Proxima b's luft. De ændrede også dybden, størrelse, og saltholdigheden af ​​dets oceaner og justerede forholdet mellem land og vand for at se, hvordan disse justeringer ville påvirke planetens klima.

Modeller som ROCKE-3-D begynder kun med korn af grundlæggende information om en exoplanet:dens størrelse, masse, og afstand fra dens stjerne. Forskere kan udlede disse ting ved at se lyset fra en stjernedykke, når en planet krydser foran den, eller ved at måle tyngdekraften i en stjerne, når en planet kredser om den.

Disse sparsomme fysiske detaljer informerer om ligninger, der omfatter op til en million linjer computerkode, der er nødvendige for at bygge de mest sofistikerede klimamodeller. Koden instruerer en computer som NASAs Discover supercomputer til at bruge etablerede naturregler til at simulere globale klimasystemer. Blandt mange andre faktorer, klimamodeller overvejer, hvordan skyer og oceaner cirkulerer og interagerer, og hvordan stråling fra en sol interagerer med en planets atmosfære og overflade.

Da Del Genios team kørte ROCKE-3-D på Discover, så de, at Proxima b's hypotetiske skyer virkede som en massiv paraply ved at aflede stråling. Dette kan sænke temperaturen på Proxima b's solvendte side fra for varm til varm.

Andre forskere har fundet ud af, at Proxima b kunne danne skyer så massive, at de ville udslette hele himlen, hvis man kiggede op fra overfladen.

"Hvis en planet er gravitationslåst og roterer langsomt om sin akse, dannes der en cirkel af skyer foran stjernen, altid peger mod det. Dette skyldes en kraft kendt som Coriolis-effekten, som forårsager konvektion på det sted, hvor stjernen opvarmer atmosfæren, " sagde Ravi Kopparapu, en NASA Goddard planetarisk videnskabsmand, der også modellerer det potentielle klima for exoplaneter. "Vores modellering viser, at Proxima b kunne se sådan ud."

Ud over at gøre Proxima b's dagside mere tempereret end forventet, en kombination af atmosfære og havcirkulation ville flytte varm luft og vand rundt på planeten, derved transporterer varmen til den kolde side. "Så du ikke kun forhindrer atmosfæren på natsiden i at fryse ud, du skaber dele på natsiden, der faktisk holder flydende vand på overfladen, selvom disse dele ikke ser noget lys, " sagde Del Genio.

Et nyt blik på en gammel rollemodel

Atmosfærer er konvolutter af molekyler omkring planeter. Udover at hjælpe med at opretholde og cirkulere varmen, atmosfærer distribuerer gasser, der nærer liv eller produceres af det.

Disse gasser er de såkaldte "biosignaturer", videnskabsmænd vil lede efter i atmosfæren på exoplaneter. Men hvad de præcist skal lede efter, er stadig uafgjort.

Jordens er det eneste bevis forskerne har for kemien i en livsopretholdende atmosfære. Endnu, de skal være forsigtige, når de bruger Jordens kemi som model for resten af ​​galaksen. Simuleringer fra Goddard planetforsker Giada Arney, for eksempel, vise, at selv noget så simpelt som ilt - det essentielle tegn på planteliv og fotosyntese på den moderne Jord - kunne udgøre en fælde.

Arneys arbejde fremhæver noget interessant. Havde fremmede civilisationer peget deres teleskoper mod Jorden for milliarder af år siden i håb om at finde en blå planet svømmende i ilt, de ville være blevet skuffede; måske ville de have vendt deres teleskoper mod en anden verden. Men i stedet for ilt, metan kunne have været den bedste biosignatur at lede efter for 3,8 til 2,5 milliarder år siden. Dette molekyle blev produceret i overflod dengang, sandsynligvis ved, at mikroorganismerne stille og roligt blomstrer i havene.

"Det interessante ved denne fase af Jordens historie er, at den var så fremmed sammenlignet med den moderne Jord, " sagde Arney. "Der var ingen ilt endnu, så det var ikke engang en lyseblå prik. Det var en bleg orange prik, " hun sagde, refererer til den orange dis produceret af metan-smoggen, der kan have indhyllet den tidlige Jord.

Fund som denne, Arney sagde, "har udvidet vores tænkning om, hvad der er muligt blandt exoplaneter, " at hjælpe med at udvide listen over biosignaturer, som planetforskere vil lede efter i fjerne atmosfærer.

Opbygning af en Blueprint for Atmosphere Hunters

Mens erfaringerne fra planetariske klimamodeller er teoretiske - hvilket betyder, at videnskabsmænd ikke har haft mulighed for at teste dem i den virkelige verden - tilbyder de en plan for fremtidige observationer.

Et hovedmål med at simulere klimaer er at identificere de mest lovende planeter at henvende sig til med Webb-teleskopet og andre missioner, så videnskabsmænd kan bruge begrænset og dyr teleskoptid mest effektivt. Derudover disse simuleringer hjælper videnskabsmænd med at skabe et katalog over potentielle kemiske signaturer, som de en dag vil opdage. At have sådan en database at trække fra vil hjælpe dem med hurtigt at bestemme den type planet, de kigger på, og beslutte, om de skal fortsætte med at sondere eller vende deres teleskoper andetsteds.

At opdage liv på fjerne planeter er et gamble, Del Genio bemærkede:"Så hvis vi ønsker at observere mest klogt, vi er nødt til at tage imod anbefalinger fra klimamodeller, fordi det bare øger oddsene."