Mulig atmosfærisk ødelæggelse af en potentielt beboelig exoplanet

Astrofysikere, der studerer en populær exoplanet i dens stjernes beboelige zone, har fundet ud af, at elektriske strømme i planetens øvre atmosfære kunne skabe tilstrækkelig opvarmning til at udvide atmosfæren nok til, at den forlader planeten, hvilket sandsynligvis efterlader planeten ubeboelig.

Indtil nu har planetforskere tænkt, at en beboelig planet har brug for et stærkt magnetfelt, der omgiver den, for at fungere som et skjold, der leder ioniserede partikler, røntgenstråler og ultraviolet stråling i stjernevinden rundt og væk fra dens atmosfære.

Det er, hvad der sker på Jorden, hvilket forhindrer farlig stråling i at nå livet på overfladen, og hvad der ikke sker på Mars, som nu mangler et globalt magnetfelt, hvilket betyder, at enhver indledende indbygger på den røde planet sandsynligvis bliver nødt til at leve i underjordiske huler og hulrum til solvindbeskyttelse.

Den nye forskning, af Ofer Cohen fra Lowell Center for Space Science and Technology ved University of Massachusetts Lowell og kolleger, offentliggjort i The Astrophysical Journal , undersøgte, om elektriske strømme genereres i ionosfæren på exoplaneten Trappist-1e ville føre til tilstrækkelig opvarmning og udvidelse af atmosfæren til, at den kan spredes væk fra planetens tyngdekraft og gå tabt til rummet.

TRAPPIST-1e er en kølig M-dværgstjerne i stjernebilledet Vandmanden omkring 41 lysår fra Jorden. Dets planetsystem, som har syv observerede exoplaneter, er det mest nærstuderede system uden for vores eget solsystem.

Tre af disse planeter er i stjernens beboelige zone, med overfladetemperaturer, hvor flydende vand kunne eksistere. Fordi M-dværge, som udgør omkring 70 % af stjerner i universet, er køligere end vores sol, er disse zoner meget tættere på disse stjerner.

Trappist-1e, en exoplanet opdaget i 2017, kredser kun 0,028 AU fra sin stjerne (hvor 1 AU er den gennemsnitlige afstand fra solen til Jorden; Merkur kredser omkring 0,4 AU). Rocky og jordlignende, dens gennemsnitlige tæthed er kun 2% større end Jordens, og dens overfladetyngdekraft 82%. Desuden har den en ligevægtstemperatur på 246 Kelvin, kun 9 K under Jordens.

Disse egenskaber gør Trappist-1e til en af ​​de mest interessante af alle exoplaneter, der er opdaget til dato. Men har det en atmosfære? Fordi den er placeret meget tættere på sin stjerne, bør atmosfærisk stripning af stjernevinde være meget stærkere end for eksempel Merkurs, som ikke har nogen atmosfære.

Tidligere arbejde viste, at stjernevinde fra Trappist-1 potentielt kunne fjerne en brintrig atmosfære fra dens exoplaneter ved fotofordampning, men modellering af kompleksitet betyder, at disse planeter kan have et væld af atmosfæriske miljøer.

Men en anden potentiel stripningsmekanisme er, når ydre ladede stjernevinde påvirker den ioniserede øvre atmosfære. I tidligere arbejde fandt Cohen og andre ud af, at når konduktansen og impedansen af ​​hver er ens i størrelsesordenen, kunne de tre trappist exoplaneter e, f og g opleve jævnstrøm (DC) resistiv opvarmning på op til 1 watt pr. kvadratmeter, 1 % af den indkommende solindstråling og 5 til 15 gange stjerneenergien fra ekstrem-ultraviolet stråling. En sådan "Joule-opvarmning" kunne potentielt fjerne atmosfæren fra enhver af disse planeter. (På jorden er Joule-opvarmning omkring 0,01 W/m ² .)

Nu har Cohen og kolleger modelleret et andet fænomen, der også kan påvirke Trappist-1 planetariske atmosfærer:opvarmning på grund af selve planetens bevægelse. Vekselstrømme (AC) vil blive genereret i planetens øvre atmosfære, når den møder et skiftende stjernemagnetfelt, når planeten kredser om sin stjerne (Faradays lov om induktion).

Nærliggende planeter kredser meget hurtigt - Trappist-1e's omløbsperiode er kun 6,1 jorddage - og den hurtige ændring i baggrundsmagnetfeltet fører til generering af stærke ionosfæriske strømme, der spreder sig og skaber potentielt meget høj opvarmning, som de kalder spænding -drevet Joule opvarmning.

Fordi astronomer ikke har målinger af Trappist-1's stjernevind og magnetfelt, brugte gruppen validerede fysikbaserede modeller til at beregne dens energioutput, dens solvind og det skiftende magnetfelt på Trappist-1e-afstanden. Ved at bruge rimelige estimater for bredden af ​​Trappist 1e's ionosfære, dens ledningsevne og størrelsen af ​​det skiftende magnetiske felt viser deres resultater, at Joule-varmeenergifluxen i den øvre atmosfære af planeten vil variere fra 0,01 til 100 W/m ² , en betydelig mængde opvarmning, der kan være større end på grund af ekstrem ultraviolet lys og 1 til 10 % af stjerneenergifluxen på planeten.

De konkluderer, at sådanne intense værdier kan forårsage en stærk atmosfærisk flugt og "kan føre til et hurtigt tab af atmosfæren." Det betyder, at astrobiologer og andre bør tage Joule-opvarmning i betragtning, når de overvejer en exoplanets beboelighed.

"Det er sandsynligt, at begge mekanismer fungerer sammen i tætte exoplaneter," sagde Cohen. "Derfor kan vores arbejde (og vores viden om solsystemet) tyde på, at exoplaneter placeret meget tæt på stjernen sandsynligvis er bare planeter uden atmosfære."

Cohen bemærker, at deres arbejde har et politisk element, da mange hold undersøger atmosfæren på Trappist-1 planeter. James Webb Space Telescope (JWST) er allerede begyndt at observere dette systems planetariske atmosfærer (finder ingen), og der er planer om at gøre mere. "Dette kan være lidt af et spild af ressourcer, hvis der ikke er nogen atmosfære at studere," sagde Cohen.

Flere oplysninger: Ofer Cohen et al., Heating of the Atmospheres of Short-orbit Exoplanets by their Rapid Orbital Motion through an Extreme Space Environment, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad206a

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift

© 2024 Science X Network