Vil du have lidt is med din exoplanet? For jordlignende verdener kan det være en stor opgave

Exoplaneter oplever en stratosfærisk stigning. I de tre årtier siden den første bekræftede planet kredsede om en anden stjerne, har forskere katalogiseret mere end 4.000 af dem. Efterhånden som listen vokser, vokser også ønsket om at finde jordlignende exoplaneter – og at afgøre, om de kunne være livsopretholdende oaser som vores egen klode.

De kommende årtier bør se lanceringen af ​​nye missioner, der kan indsamle stadig større mængder af data om exoplaneter. For at foregribe disse fremtidige bestræbelser har et hold ved University of Washington og University of Bern ved beregningen simuleret mere end 200.000 hypotetiske jordlignende verdener – planeter, der har samme størrelse, masse, atmosfæriske sammensætning og geografi som den moderne Jord – alle i kredsløb om stjerner som vores sol. Deres mål var at modellere, hvilke typer miljøer astronomer kan forvente at finde på rigtige jordlignende exoplaneter.

Som de rapporterer i et papir accepteret til Planetary Science Journal og indsendte den 6. december til preprint-stedet arXiv, på disse simulerede exoplaneter, manglede et fælles træk ved nutidens Jord ofte:delvis isdækning.

"Vi simulerede i det væsentlige Jordens klima på verdener omkring forskellige typer stjerner, og vi finder ud af, at i 90 % af tilfældene med flydende vand på overfladen, er der ingen iskapper, som polarhætter," sagde medforfatter Rory Barnes, en UW professor i astronomi og videnskabsmand ved UW's Virtual Planetary Laboratory. "Når der er is, ser vi, at isbælter - permanent is langs ækvator - faktisk er mere sandsynlige end iskapper."

Resultaterne kaster lys over det komplekse samspil mellem flydende vand og is på jordlignende verdener, ifølge hovedforfatter Caitlyn Wilhelm, der ledede undersøgelsen som bachelorstuderende i UW Department of Astronomy.

"At se på isdækningen på en jordlignende planet kan fortælle dig meget om, hvorvidt den er beboelig," sagde Wilhelm, som nu er forsker ved Virtual Planetary Laboratory. "Vi ønskede at forstå alle de parametre - banens form, den aksiale hældning, typen af ​​stjerne - der påvirker, om du har is på overfladen, og i så fald hvor."

Holdet brugte en 1-D energibalancemodel, som beregningsmæssigt efterligner energistrømmen mellem en planets ækvator og poler, til at simulere klimaet på tusindvis af hypotetiske exoplaneter i forskellige orbitale konfigurationer omkring stjerner af F-, G- eller K-typen. Disse klasser af stjerner, som inkluderer vores egen G-type sol, er lovende kandidater til at være vært for livsvenlige verdener i deres beboelige zoner, også kendt som "Guldlok"-zonen. F-type stjerner er en smule varmere og større end vores sol; Stjerner af K-typen er lidt køligere og mindre.

I deres simuleringer varierede exoplaneternes kredsløb fra cirkulære til en udtalt oval. Holdet overvejede også aksiale hældninger fra 0 til 90 grader. Jordens aksiale hældning er moderate 23,5 grader. En planet med en hældning på 90 grader ville "sidde på siden" og opleve ekstreme årstidsvariationer i klimaet, ligesom planeten Uranus.

Ifølge simuleringerne, som omfattede et tidsrum på 1 million år på hver verden, viste jordlignende verdener klimaer lige fra planet-dækkende "snebold"-klimaer - med is til stede på alle breddegrader - til et dampende "fugtigt drivhus", som ligner sandsynligvis Venus' klima, før en løbsk drivhuseffekt gjorde dens overflade varm nok til at smelte bly. Men selvom de fleste miljøer i simuleringerne faldt et sted mellem disse ekstremer, var delvis overfladeis til stede på kun omkring 10 % af de hypotetiske, beboelige exoplaneter.

Modellen inkluderede naturlige variationer over tid i hver verdens aksiale hældning og kredsløb, hvilket til dels forklarer den generelle mangel på is på beboelige exoplaneter, ifølge medforfatter Russell Deitrick, en postdoktor ved Universitetet i Bern og forsker med Virtual Planetary Laboratorium.

"Orbits og aksiale hældninger ændrer sig altid," sagde Deitrick. "På Jorden kaldes disse variationer Milankovitch-cyklusser og er meget små i amplitude. Men for exoplaneter kan disse ændringer være ret store, hvilket kan eliminere is helt eller udløse "snebold"-tilstande."

Når delvis is var til stede, varierede dens fordeling efter stjerne. Omkring F-type stjerner blev polære iskapper - ligesom hvad Jordens sport i øjeblikket - fundet omkring tre gange oftere end isbælter, hvorimod isbælter forekom dobbelt så ofte som hætter for planeter omkring stjerner af G- og K-typen. Isbælter var også mere almindelige i verdener med ekstreme aksiale hældninger, sandsynligvis fordi sæsonbestemte ekstremer holder polarklimaet mere flygtigt end ækvatoriale områder, ifølge Wilhelm.

Holdets resultater om is på disse simulerede jordlignende verdener burde hjælpe i søgningen efter potentielt beboelige verdener ved at vise astronomerne, hvad de kan forvente at finde, især med hensyn til isfordeling og typerne af klimaer.

"Overfladeis er meget reflekterende og kan forme, hvordan en exoplanet 'ser' ud gennem vores instrumenter," sagde Wilhelm. "Hvorvidt der er is eller ej, kan også forme, hvordan et klima vil ændre sig på lang sigt, uanset om det går til det ekstreme - som en 'sneboldjord' eller et løbsk drivhus - eller noget mere moderat."

Is alene, eller dens fravær, bestemmer dog ikke beboelighed.

"Beboelighed omfatter en masse bevægelige dele, ikke kun tilstedeværelsen eller fraværet af is," sagde Wilhelm.

Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."