Radioaktive grundstoffer kan være afgørende for klippeplaneternes beboelighed

Mængden af ​​langlivede radioaktive grundstoffer inkorporeret i en stenet planet, når den dannes, kan være en afgørende faktor for at bestemme dens fremtidige beboelighed, ifølge en ny undersøgelse foretaget af et tværfagligt team af forskere ved UC Santa Cruz.

Det skyldes, at intern opvarmning fra det radioaktive henfald af de tunge grundstoffer thorium og uran driver pladetektonikken og kan være nødvendig for, at planeten kan generere et magnetfelt. Jordens magnetfelt beskytter planeten mod solvinde og kosmiske stråler.

Konvektion i Jordens smeltede metalliske kerne skaber en intern dynamo ("geodynamoen"), der genererer planetens magnetfelt. Jordens forsyning af radioaktive grundstoffer giver mere end nok intern opvarmning til at generere en vedvarende geodynamo, ifølge Francis Nimmo, professor i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz og førsteforfatter til et papir om de nye resultater, udgivet 10. november i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

"Det, vi indså, var, at forskellige planeter akkumulerer forskellige mængder af disse radioaktive elementer, som i sidste ende driver geologisk aktivitet og magnetfeltet, " Forklarede Nimmo. "Så vi tog en model af Jorden og indstillede mængden af ​​intern radiogen varmeproduktion op og ned for at se, hvad der sker."

Hvad de fandt er, at hvis den radiogene opvarmning er mere end Jordens, planeten kan ikke permanent opretholde en dynamo, som Jorden har gjort. Det sker, fordi det meste af thorium og uran ender i kappen, og for meget varme i kappen fungerer som en isolator, forhindrer den smeltede kerne i at miste varme hurtigt nok til at generere de konvektive bevægelser, der producerer magnetfeltet.

Med mere radiogen intern opvarmning, planeten har også meget mere vulkansk aktivitet, som kunne forårsage hyppige masseudryddelsesbegivenheder. På den anden side, for lidt radioaktiv varme resulterer i ingen vulkanisme og en geologisk "død" planet.

"Bare ved at ændre denne ene variabel, du gennemgår disse forskellige scenarier, fra geologisk død til jordlignende til ekstrem vulkansk uden dynamo, "Nimo sagde, tilføjer, at disse resultater berettiger mere detaljerede undersøgelser.

"Nu hvor vi ser de vigtige konsekvenser af at variere mængden af ​​radiogen opvarmning, den forenklede model, som vi brugte, bør kontrolleres ved mere detaljerede beregninger, " han sagde.

Beboelighed

En planetarisk dynamo har været bundet til beboelighed på flere måder, ifølge Natalie Batalha, en professor i astronomi og astrofysik, hvis Astrobiology Initiative ved UC Santa Cruz udløste det tværfaglige samarbejde, der førte til dette papir.

"Det har længe været spekuleret i, at intern opvarmning driver pladetektonikken, som skaber kulstofkredsløb og geologisk aktivitet som vulkanisme, som skaber en atmosfære, " Batalha forklarede. "Og evnen til at fastholde en atmosfære er relateret til det magnetiske felt, som også drives af intern opvarmning."

Medforfatter Joel Primack, professor emeritus i fysik, forklarede, at stjernevinde, som er hurtige strømme af materiale, der udstødes fra stjerner, kan støt erodere en planets atmosfære, hvis den ikke har noget magnetfelt.

"Manglen på et magnetfelt er tilsyneladende en del af årsagen, sammen med dens lavere tyngdekraft, hvorfor Mars har en meget tynd atmosfære, " sagde han. "Det plejede at have en tykkere atmosfære, og i en periode havde den overfladevand. Uden beskyttelse af et magnetfelt, meget mere stråling trænger igennem, og planetens overflade bliver også mindre beboelig."

Primack bemærkede, at de tunge grundstoffer, der er afgørende for radiogen opvarmning, skabes under sammensmeltninger af neutronstjerner, som er yderst sjældne begivenheder. Skabelsen af ​​disse såkaldte r-proceselementer under neutronstjernefusioner har været et fokus for forskning af medforfatter Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi og astrofysik.

"Vi ville forvente en betydelig variation i mængden af ​​disse grundstoffer inkorporeret i stjerner og planeter, fordi det afhænger af, hvor tæt det stof, der dannede dem, var på, hvor disse sjældne begivenheder fandt sted i galaksen, " sagde Primack.

Astronomer kan bruge spektroskopi til at måle mængden af ​​forskellige grundstoffer i stjerner, og sammensætningen af ​​planeter forventes at ligne sammensætningen af ​​de stjerner, de kredser om. Det sjældne jordarters grundstof europium, som let observeres i stjernespektre, er skabt af den samme proces, der gør de to længstlevende radioaktive grundstoffer, thorium og uran, så europium kan bruges som sporstof til at studere variabiliteten af ​​disse elementer i vores galakses stjerner og planeter.

Naturlig rækkevidde

Astronomer har opnået europium-målinger for mange stjerner i vores galaktiske kvarter. Nimmo var i stand til at bruge disse målinger til at etablere en naturlig række af input til hans modeller for radiogen opvarmning. Solens sammensætning er i midten af ​​dette område. Ifølge Primack, mange stjerner har halvt så meget europium sammenlignet med magnesium som solen, og mange stjerner har op til to gange mere end solen.

Betydningen og variationen af ​​radiogen opvarmning åbner mange nye spørgsmål for astrobiologer, sagde Batalha.

"Det er en kompleks historie, fordi begge yderpunkter har betydning for beboelighed. Du har brug for nok radiogen opvarmning til at opretholde pladetektonikken, men ikke så meget, at du lukker ned for den magnetiske dynamo, sagde hun. Til sidst, vi leder efter de mest sandsynlige boliger for livet. Overfloden af ​​uran og thorium ser ud til at være nøglefaktorer, muligvis endda en anden dimension til at definere en Goldilocks-planet."

Ved at bruge europium målinger af deres stjerner til at identificere planetsystemer med forskellige mængder af radiogene grundstoffer, astronomer kan begynde at lede efter forskelle mellem planeterne i disse systemer, Nimmo sagde, især når James Webb-rumteleskopet er indsat. "James Webb-rumteleskopet vil være et stærkt værktøj til karakterisering af exoplanetatmosfærer, " han sagde.

Ud over Nimmo, Primack, og Ramirez-Ruiz, medforfatterne til papiret inkluderer Sandra Faber, professor emerita i astronomi og astrofysik, og postdoc Mohammadtaher Safarzadeh.