Kolde soler, varme eksoplaneter og metantæpper:Model bygger på arven fra svage unge solparadokshypoteser

Et eller andet sted i vores galakse, en eksoplanet kredser sandsynligvis om en stjerne, der er koldere end vores sol, men i stedet for at fryse fast, planeten kan være hyggelig varm takket være en drivhuseffekt forårsaget af metan i dens atmosfære.

NASA astrobiologer fra Georgia Institute of Technology har udviklet en omfattende ny model, der viser, hvordan planetarisk kemi kunne få det til at ske. Modellen, offentliggjort i en ny undersøgelse i tidsskriftet Naturgeovidenskab , var baseret på et sandsynligt scenario på Jorden for tre milliarder år siden, og blev faktisk bygget op omkring dens mulige geologiske og biologiske kemi.

Solen producerede en fjerdedel mindre lys og varme dengang, men Jorden forblev tempereret, og metan kan have reddet vores planet fra en eon lang dybfrysning, forskere antager. Havde det ikke, vi og de fleste andre komplekse liv ville sandsynligvis ikke være her i dag.

Den nye model kombinerede flere mikrobielle metaboliske processer med vulkansk, oceaniske og atmosfæriske aktiviteter, hvilket kan gøre det til det mest omfattende af sin art til dato. Men mens jeg studerede Jordens fjerne fortid, Georgia Tech-forskerne rettede deres model lysår væk, ønsker at det en dag skal hjælpe med at fortolke forholdene på nyopdagede exoplaneter.

Forskerne satte modellens parametre bredt, så de ikke kun kunne gælde vores egen planet, men potentielt også dens søskende med deres forskellige størrelser, geologier, og livsformer.

Jorden og dens søskende

"Vi havde virkelig øje for fremtidig brug med exoplaneter af en grund, "sagde Chris Reinhard, undersøgelsens hovedforsker og en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences. "Det er muligt, at de atmosfæriske metanmodeller, som vi udforsker for den tidlige jord, repræsenterer forhold, der er fælles for biokugler i hele vores galakse, fordi de ikke kræver et så avanceret udviklingsstadium, som vi har her på Jorden nu."

Reinhard og første forfatter Kazumi Ozaki udgav deres Naturgeovidenskab papir den 11. december, 2017. Forskningen blev støttet af NASA's postdoktorale program, Japan Society for Promotion of Science, NASA Astrobiology Institute og Alfred P. Sloan Foundation.

Tidligere modeller har undersøgt blandingen af ​​atmosfæriske gasser, der er nødvendige for at holde Jorden varm på trods af solens tidligere besvimelse, eller studerede isolerede mikrobielle metabolisme, der kunne have lavet den nødvendige metan. "I isolation, hvert stofskifte har ikke skabt produktive modeller, der godt tegnede sig for så meget metan, "Sagde Reinhard.

Georgia Tech -forskerne synergiserede de isolerede mikrobielle metabolisme, herunder gammel fotosyntese, med geologisk kemi til at skabe en model, der afspejler kompleksiteten af ​​en hel levende planet. Og modellens metanproduktion ballonerede.

"Det er vigtigt at tænke over de mekanismer, der styrer de atmosfæriske niveauer af drivhusgasser inden for alle biogeokemiske cyklusser i havet og atmosfæren, "sagde første forfatter Ozaki, en postdoktor.

Carl Sagan og den svage sol

Georgia Tech -modellen styrker en førende hypotese, der forsøger at forklare et mysterium kaldet det "svage unge solparadoks", som den ikoniske afdøde astronom Carl Sagan og hans Cornell University -kollega George Mullen påpegede i 1972.

Astronomer bemærkede for længe siden, at stjernerne brændte lysere, da de modnede og svagere i deres ungdom. De beregnede, at for cirka to milliarder år siden, vores sol må have skinnet omkring 25 procent svagere end den gør i dag.

Det ville have været for koldt til at der kunne eksistere flydende vand på Jorden, men paradoksalt nok, stærke beviser siger, at der eksisterede flydende vand. "Baseret på observationen af ​​den geologiske rekord, vi ved, at der må have været flydende vand, "Sagde Reinhard, "og i nogle tilfælde vi ved, at temperaturerne lignede, hvordan de er i dag, hvis ikke lidt varmere. "

Sagan og Mullen postulerede, at Jordens atmosfære må have skabt en drivhuseffekt, der reddede den. Dengang, de mistænkte ammoniak på arbejde, men kemisk, den idé viste sig mindre gennemførlig.

"Metan har spillet en hovedrolle i denne hypotese, "Sagde Reinhard." Når ilt og metan kommer ind i atmosfæren, de afbryder kemisk hinanden over tid i en kompleks kæde af kemiske reaktioner. Fordi der var ekstremt lidt ilt i luften dengang, det ville have givet metan mulighed for at opbygge meget højere niveauer end i dag. "

Jern, og rustfotosyntese

Kernen i modellen er to forskellige typer fotosyntese. Men for tre milliarder år siden den dominerende type fotosyntese, vi kender i dag, der pumper ilt ud, måske ikke engang har eksisteret endnu.

I stedet, to andre meget primitive bakterielle fotosyntetiske processer sandsynligvis var afgørende for Jordens gamle biosfære. Et omdannede jern i havet til rust, og det andet fotosyntetiserede hydrogen til formaldehyd.

"Modellen stolede på masser af vulkansk aktivitet, der udspiste brint, "Sagde Ozaki. Andre bakterier gærede formaldehydet, og andre bakterier, stadig, gjorde det gærede produkt til metan.

De to fotosyntetiske processer tjente som urfjeder på modellens urværk, som trak 359 tidligere etablerede biogeokemiske reaktioner ind over land, hav og luft.

3, 000, 000 løb og rasende metan

Modellen var ikke den type simulering, der producerer en videoanimation af Jordens gamle biogeokemi. I stedet, modellen analyserede matematisk processerne, og output var tal og grafer.

Ozaki kørte modellen mere end 3 millioner gange, forskellige parametre, og fandt ud af, at hvis modellen indeholdt begge former for fotosyntese, der fungerer parallelt, at 24 procent af løbene producerede nok metan til at skabe den balance, der er nødvendig i atmosfæren for at bevare drivhuseffekten og bevare den gamle jord, eller muligvis en eksoplanet, tempereret.

"Det betyder cirka 24 procents sandsynlighed for, at denne model vil producere en stabil, varmt klima på den gamle jord med en svag sol eller på en jordlignende eksoplanet omkring en dæmpet stjerne, "Reinhard sagde." Andre modeller, der har set på disse fotosyntetiske metabolisme isoleret, har meget lavere sandsynligheder for at producere nok metan til at holde klimaet varmt. "

"Vi er overbeviste om, at denne temmelig unikke statistiske tilgang betyder, at du kan tage den grundlæggende indsigt i denne nye model med til banken, " han sagde.

Andre forklaringer på det "svage unge solparadoks" har været mere katastrofale og måske mindre regelmæssige i deres dynamik. De indeholder ideer om rutinemæssige asteroideangreb, der vækker seismisk aktivitet, hvilket resulterer i mere metanproduktion, eller om solen konsekvent affyre koronale masseudstødninger på Jorden, varme det op.