Klippeplaneter skal muligvis have den rigtige alder til at understøtte liv

Ekstrasolare planeter bliver opdaget med en hurtig hastighed - 4, 531 planeter i 3, 363 systemer (med yderligere 7, 798 kandidater afventer bekræftelse). Af disse, 166 er blevet identificeret som klippeplaneter (også kendt som "jordlignende"), mens en anden 1, 389 er blevet kategoriseret som klippeplaneter, der er flere gange så store som Jorden ("Super-Earths"). Efterhånden som flere og flere opdagelser bliver gjort, astronomernes fokus skifter fra opdagelsesprocessen til karakterisering.

For at kvantificere, om nogen af ​​disse exoplaneter er beboelige, astronomer og astrobiologer leder efter måder at opdage biomarkører og andre tegn på biologiske processer. Ifølge en ny undersøgelse, indikationer på en kulstof-silikat-cyklus kunne være nøglen. På jorden, denne cyklus sikrer, at vores klima forbliver stabilt i evigheder, og det kan være nøglen til at finde liv på andre planeter.

Studiet, med titlen "Carbon cykling og beboelighed af massive jordlignende exoplaneter, " blev dirigeret af Amanda Kruijver, Dennis Höning, og Wim van Westrenen - tre jordforskere ved Vrije Universiteit Amsterdam. Höning er også fellow i Origins Center, et hollandsk-baseret nationalt videnskabeligt institut, der er forpligtet til at forske i livets oprindelse og udvikling i vores univers. Deres undersøgelse blev for nylig offentliggjort i The Planetary Science Journal .

På jorden, denne to-trins cyklus sikrer, at kuldioxid (CO ₂ ) niveauer i vores atmosfære forbliver relativt konsistente over tid. I det første trin, kuldioxid fjernes fra vores atmosfære ved at reagere med vanddamp og danne kulsyre, som forvitrer og opløser silikatsten. Produkterne fra denne forvitring skylles ud i havene, skabe karbonatsten, der synker til havbunden og bliver en del af jordens kappe.

Det er her, det andet trin kommer i spil. En gang i kappen, karbonatsten smeltes ned for at skabe silikatmagma og CO ₂ gas, hvoraf sidstnævnte frigives tilbage til atmosfæren gennem vulkanudbrud. Som Dr. Höning forklarede til Universe Today via e-mail, processen påvirkes også af ændringer i overfladeforhold:

"Vigtigt, hastigheden af ​​denne proces afhænger af overfladetemperaturen:Hvis overfladen bliver varmere, vejrlig reaktioner fremskynder, og mere CO ₂ kan fjernes fra atmosfæren. Siden CO ₂ er en drivhusgas, denne mekanisme køler overfladen ned, så vi har en stabiliserende feedback. Vi må påpege, at denne stabiliserende feedback kræver lang tid for at være effektiv, i størrelsesordenen hundreder af tusinde år eller endda millioner af år."

En vigtig overvejelse er, hvordan solen er blevet varmere med tiden, Dr. Höning tilføjede. Sammenlignet med Jordens tidlige historie, vores planet modtager nu omkring 30 % mere energi fra Solen, hvilket er grunden til atmosfærisk CO ₂ niveauer var højere i en fjern fortid. Derfor, det er sikkert at sige, at forvitring bliver mere udtalt, efterhånden som en planet bliver ældre, og at atmosfærisk CO ₂ niveauer vil falde med en stigende hastighed på dette tidspunkt i deres udvikling.

Da dette er en simpel kemisk proces, der er ingen grund til at tro, at en kulstof-silikat-cyklus ikke kunne fungere på andre planeter - forudsat at de har flydende vand på deres overflader. For exoplanetforskere og astrobiologer, tilstedeværelsen af ​​flydende vand har været afgørende for den igangværende søgen efter udenjordisk liv. Spørgsmålet om pladetektonik er også blevet rejst, da dette spiller en væsentlig rolle i at opretholde Jordens beboelighed over tid. Dr. Höning sagde:

"I vores eget solsystem, kun planeten Jorden har pladetektonik og derfor subduktion. Årsagen til dette er ikke helt klar og underlagt moderne undersøgelser - sandsynligvis har det at gøre med klippesammensætningen, planet størrelse, overfladetemperatur, eller med eksistensen af ​​flydende vand på selve overfladen.

"Hvis vi ville have forvitring på en exoplanet, men ingen subduktion, de producerede karbonater ville samle sig på overfladen og kan blive ustabile igen efter millioner af år. Vi undersøgte dette scenarie i tidligere arbejde og fandt ud af, at klimaet stadig ville være reguleret til en vis grad, selvom det er noget mindre effektivt end med pladetektonik som antaget i nærværende papir."

Dr. Höning og hans kolleger er næppe alene, når det kommer til at undersøge, om pladetektonik og geologisk aktivitet er afgørende for livet. I de seneste år, lignende forskning er blevet udført, der har overvejet, om stagnerende lågplaneter (hvor overfladen og kappen består af en inaktiv plade) dækket af oceaner stadig kunne have en kulstofcyklus - med opmuntrende resultater.

Af hensyn til deres studie, Dr. Höning og hans kolleger forsøgte at afgøre, om en kulstof-silikat-cyklus ville være mulig på andre klippeplaneter, der spænder fra at være "Jord-lignende" til "Super-Earths." Til denne ende, de skabte en model, der reproducerede Jordens karbonat-silikat cyklus og tog alle de relevante processer i betragtning, inklusive indre evolution, vulkansk udgasning, forvitring, og subduktion. De overvejede derefter, hvordan modellen kunne være følsom over for ændringer i størrelse og masse.

"For eksempel, trykket inden for massive planeter stiger kraftigere med dybden, da tyngdekraften er højere, " sagde Dr. Höning. "Trykket har en effekt på smeltedybden og også på styrken af ​​kappekonvektion, som bestemmer den indvendige kølehastighed. Så vi opdaterede alle modeldele, der er følsomme over for planetens størrelse eller masse og kunne derfor udforske indflydelsen af ​​disse parametre på exoplanetens beboelighed."

Hvad de fandt var, at en stigning i massen (til et punkt) ville resultere i højere gennemsnitlige overfladetemperaturer, og ændrer derved, hvad der ville blive betragtet som planetens circumsolar beboelige zone (også kendt som "Goldilocks Zone"). Dr. Höning sagde:

"Vi fandt ud af, at exoplaneter på Jordens alder, men ~3 gange mere massive, burde have højere vulkanudgasningshastigheder, da deres indre er meget varmere og kappekonvektion derfor mere kraftig. Karbonat-silikat-cyklussen kan stadig regulere klimaet på disse planeter, ikke desto mindre forventer vi en varmere overflade. Derfor, den optimale afstand mellem planeten og stjernen for at opretholde flydende vand på planetens overflade er lidt længere væk end Jordens afstand til Solen."

Imidlertid, resultaterne var det modsatte, da de øgede massen af ​​en klippeplanet op til 10 gange Jordens (hvilket svarer til ~2 jordradier). "Her, trykket inden for disse planeter er så stort, at vulkansk aktivitet og udgasning af CO ₂ bliver mindre, " sagde han. "Men da varmen fra deres indre ikke går tabt så effektivt, udgasning af CO ₂ bliver særlig effektiv i den senere udvikling. Desværre, stjernernes lysstyrke stiger også med tiden, så planeten kan da blive for varm til, at der kan eksistere noget flydende vand."

Der er mange takeaways fra disse resultater. For en, undersøgelsen viser, at størrelse og masse er vigtige parametre for planetarisk beboelighed. På samme tid, størrelse og masse er blandt de meget få parametre, som forskerne har adgang til lige nu. Som med de tilgængelige detektionsmidler – transitmetoden, for eksempel, er meget god til at begrænse disse to egenskaber - videnskabsmænd er noget begrænset af indirekte midler og må stole på ekstrapolationer og modellering.

Imidlertid, disse to parametre er stadig meget nyttige til at begrænse, hvilke typer klippeplaneter der kan være beboelige, og hvilke der sandsynligvis ikke vil understøtte liv. Hvad mere er, de viser, hvordan en planets alder og masse spiller en væsentlig rolle i opretholdelsen af ​​et kulstofkredsløb, og derfor planetens beboelighed. Ved at overveje disse faktorer sammen, videnskabsmænd vil være i stand til at sige, om en planet er "potentielt beboelig mere selvsikkert." Som Dr. Höning opsummerede:

"Et hovedfund i vores papir er, at vi virkelig bør se på kombinationen af ​​planetstørrelse og alder for at få en idé om beboelighed. Planeter på størrelse med Jorden burde være beboelige i meget lang tid, men deres atmosfærer er naturligvis sværere at karakterisere end for større planeter. Planeter på 3 gange Jordens masse (modtager den samme stjerneflux) bør have en varmere overflade end Jorden (forskel ~10K). Endnu mere massive planeter, der modtager den samme stjerneflux, er lidt køligere, men ville opvarmes betydeligt senere i deres udvikling."

Hvad mere er, denne undersøgelse vil være gavnlig, når næste generations teleskoper bliver tilgængelige og kan udføre direkte observationer af exoplaneter. Dette er noget astronomer forventer af det kommende James Webb Space Telescope (JWST), Nancy Grace romerske rumteleskop, og jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), og Thirty Meter Telescope (TMT).

Ved direkte at observere lys reflekteret af en exoplanets atmosfære, astronomer vil få spektre, der afslører atmosfærens kemiske sammensætning. Denne forskning kan bruges til fremtidige undersøgelser for at placere påvisningen af ​​atmosfærisk CO ₂ ind i sin rette sammenhæng. Kort sagt, astrobiologer vil afgøre, om det er en indikation af geologisk aktivitet og kan derfor tolkes som en mulig indikation af beboelighed.

Et andet opmuntrende aspekt af undersøgelsen er, at selv når det drejer sig om klippeplaneter af varierende masse og størrelse, karbonat-silikat-cyklussen forbliver en effektiv regulator af klimaet. Hvis videnskabsmænd opdager bevis for denne cyklus på exoplaneter, de kan være sikre på, at det indikerer potentiel beboelighed, uanset hvor massiv planeten er. "Så, vi kan forblive optimistiske med hensyn til at finde udenjordisk liv i fremtiden." sagde Dr. Höning.