Als het gaat om het zoeken naar werelden die het buitenaardse leven zouden kunnen ondersteunen, vertrouwen wetenschappers momenteel op de benadering van "laaghangend fruit". Aangezien we slechts één reeks voorwaarden kennen waaronder het leven kan gedijen - d.w.z. wat we hier op aarde hebben - is het logisch om naar werelden te zoeken die dezelfde voorwaarden hebben. Deze omvatten onder meer dat ze zich in de bewoonbare zone van een ster bevinden, een stabiele atmosfeer hebben en vloeibaar water aan de oppervlakte kunnen houden.
Tot nu toe vertrouwden wetenschappers op methoden die het erg moeilijk maken om waterdamp in de atmosfeer van terrestrische planeten te detecteren. Maar dankzij een nieuwe studie onder leiding van Yuka Fujii van NASA's Goddard Institute for Space Studies (GISS), kan dat binnenkort veranderen. Met behulp van een nieuw driedimensionaal model dat rekening houdt met wereldwijde circulatiepatronen, geeft deze studie ook aan dat bewoonbare exoplaneten vaker voorkomen dan we dachten.
De studie, getiteld "NIR-gedreven vochtige bovenste atmosfeer van synchroon roterende gematigde terrestrische exoplaneten", verscheen onlangs in The Astrophysical Journal. Naast Dr. Fujii, die ook lid is van het Earth-Life Science Institute van het Tokyo Institute of Technology, bestond het onderzoeksteam uit Anthony D. Del Genio (GISS) en David S. Amundsen (GISS en Columbia University).
Simpel gezegd, vloeibaar water is essentieel voor het leven zoals we het kennen. Als een planeet niet voldoende warm genoeg is om vloeibaar water gedurende een voldoende lange tijd (in de orde van miljarden jaren) op het oppervlak te houden, dan is het onwaarschijnlijk dat er leven kan ontstaan en evolueren. Als een planeet te ver van zijn ster verwijderd is, zal het oppervlaktewater bevriezen; als het te dichtbij is, verdampt het oppervlaktewater en gaat het verloren in de ruimte.
Hoewel er in de atmosfeer van exoplaneten eerder water werd gedetecteerd, waren de planeten in alle gevallen enorme gasreuzen die heel dicht bij hun sterren cirkelden. (ook bekend als "Hot Jupiters"). Zoals Fujii en haar collega's in hun studie stellen:
“Hoewel H2O-signaturen zijn gedetecteerd in de atmosfeer van hete Jupiters, is het detecteren van moleculaire signaturen, waaronder H2O, op gematigde terrestrische planeten buitengewoon uitdagend, vanwege de kleine planetaire straal en de kleinschalige hoogte (vanwege de lagere temperatuur en vermoedelijk een groter gemiddelde) molecuulgewicht). "
Als het gaat om terrestrische (d.w.z. rotsachtige) exoplaneten, werden eerdere studies gedwongen te vertrouwen op eendimensionale modellen om de aanwezigheid van water te berekenen. Dit bestond uit het meten van waterstofverlies, waarbij waterdamp in de stratosfeer wordt afgebroken tot waterstof en zuurstof door blootstelling aan ultraviolette straling. Door de snelheid te meten waarmee waterstof in de ruimte verloren gaat, schatten wetenschappers de hoeveelheid vloeibaar water die nog op het oppervlak aanwezig is.
Maar zoals Dr. Fujii en haar collega's uitleggen, vertrouwen dergelijke modellen op verschillende aannames die niet kunnen worden aangepakt, waaronder het wereldwijde transport van warmte en waterdampdamp, evenals de effecten van wolken. Eerdere modellen voorspelden dat waterdamp, om de stratosfeer te bereiken, op lange termijn oppervlaktetemperaturen op deze exoplaneten meer dan 66 ° C (150 ° F) hoger zouden moeten zijn dan wat we hier op aarde ervaren.
Deze temperaturen kunnen krachtige convectiestormen op het oppervlak veroorzaken. Deze stormen kunnen echter niet de reden zijn dat water de stratosfeer bereikt als het gaat om langzaam roterende planeten die in een vochtige broeikas komen - waar waterdamp de warmte intensiveert. Van planeten die dicht bij hun oudersterren cirkelen, is bekend dat ze een langzame rotatie hebben of dat ze op hun planeet worden vergrendeld, waardoor convectieve stormen onwaarschijnlijk zijn.
Dit komt vrij vaak voor bij terrestrische planeten die zich bevinden rond lage massa, ultra koele, M-type (rode dwerg) sterren. Voor deze planeten betekent hun nabijheid tot hun gastheerster dat de zwaartekracht invloed sterk genoeg zal zijn om hun rotatie te vertragen of volledig te stoppen. Wanneer dit gebeurt, vormen zich dikke wolken aan de dagzijde van de planeet en beschermen deze tegen veel van het licht van de ster.
Het team ontdekte dat, hoewel dit de dag koel kon houden en het voorkomen van waterdamp kon voorkomen, de hoeveelheid nabij-infraroodstraling (NIR) voldoende warmte zou kunnen leveren om een planeet in een vochtige broeikas te brengen. Dit geldt vooral voor M-type en andere coole dwergsterren, waarvan bekend is dat ze meer produceren op het gebied van NIR. Terwijl deze straling de wolken opwarmt, stijgt waterdamp de stratosfeer in.
Om dit aan te pakken, vertrouwden Fujii en haar team op driedimensionale algemene circulatiemodellen (GCM's) die atmosferische circulatie en klimaatheterogeniteit omvatten. Omwille van hun model begon het team met een planeet die een aardachtige atmosfeer had en volledig bedekt was door oceanen. Hierdoor kon het team duidelijk zien hoe variaties in afstand van verschillende soorten sterren de omstandigheden op de planetenoppervlakken zouden beïnvloeden.
Deze veronderstellingen stelden het team in staat om duidelijk te zien hoe het veranderen van de baanafstand en het type stellaire straling de hoeveelheid waterdamp in de stratosfeer beïnvloedde. Zoals Dr. Fujii uitlegde in een NASA-persbericht:
“Met behulp van een model dat realistischer atmosferische omstandigheden simuleert, ontdekten we een nieuw proces dat de bewoonbaarheid van exoplaneten regelt en ons zal begeleiden bij het identificeren van kandidaten voor verder onderzoek ... We vonden een belangrijke rol voor het type straling dat een ster uitzendt en het effect heeft op de atmosferische circulatie van een exoplaneet bij het maken van de vochtige kas staat. ”
Uiteindelijk toonde het nieuwe model van het team aan dat, aangezien sterren met een lage massa het grootste deel van hun licht uitstralen op NIR-golflengten, er een vochtige broeikasstand zal ontstaan voor planeten die dicht bij hen cirkelen. Dit zou resulteren in omstandigheden op hun oppervlak die vergelijkbaar zijn met wat de aarde ervaart in de tropen, waar de omstandigheden heet en vochtig zijn, in plaats van heet en droog.
Bovendien gaf hun model aan dat NIR-gestuurde processen het vocht in de stratosfeer geleidelijk verhoogden, tot het punt dat exoplaneten die dichter bij hun sterren cirkelden, bewoonbaar konden blijven. Deze nieuwe benadering voor het beoordelen van potentiële bewoonbaarheid zal astronomen in staat stellen de circulatie van planetaire atmosferen en de speciale kenmerken van die circulatie te simuleren, iets wat eendimensionale modellen niet kunnen.
In de toekomst is het team van plan te beoordelen hoe variaties in planetaire kenmerken, zoals zwaartekracht, grootte, atmosferische samenstelling en oppervlaktedruk, de circulatie en bewoonbaarheid van waterdamp kunnen beïnvloeden. Dit zal, samen met hun driedimensionale model dat rekening houdt met planetaire circulatiepatronen, astronomen in staat stellen om de potentiële bewoonbaarheid van verre planeten nauwkeuriger te bepalen. Zoals Anthony Del Genio aangaf:
'Zolang we de temperatuur van de ster kennen, kunnen we inschatten of planeten in de buurt van hun sterren de potentie hebben om in de vochtige kasstaat te verkeren. De huidige technologie wordt tot het uiterste gedreven om kleine hoeveelheden waterdamp in de atmosfeer van een exoplaneet te detecteren. Als er genoeg water te detecteren is, betekent dit waarschijnlijk dat de planeet in de vochtige kas staat. ”
Behalve dat astronomen een uitgebreidere methode bieden om de bewoonbaarheid van exoplaneten te bepalen, is deze studie ook goed nieuws voor exoplaneetjagers die hopen bewoonbare planeten rond M-type sterren te vinden. Lage massa, ultra-coole M-type sterren zijn de meest voorkomende ster in het heelal, goed voor ongeveer 75% van alle sterren in de Melkweg. Wetende dat ze bewoonbare exoplaneten zouden kunnen ondersteunen, vergroot de kans om er een te vinden aanzienlijk.
Bovendien is deze studie ZEER goed nieuws, gezien de recente golf van onderzoek die ernstige twijfel heeft gewekt over het vermogen van M-type sterren om bewoonbare planeten te hosten. Dit onderzoek is uitgevoerd naar aanleiding van de vele terrestrische planeten die de afgelopen jaren rond nabijgelegen rode dwergen zijn ontdekt. Wat ze onthulden was dat rode dwergsterren over het algemeen te veel overstraling ervaren en hun respectieve planeten van hun atmosfeer zouden kunnen ontdoen.
Deze omvatten het 7-planeet TRAPPIST-1-systeem (waarvan er drie zich in de bewoonbare zone van de ster bevinden) en de dichtstbijzijnde exoplaneet bij het zonnestelsel, Proxima b. Het enorme aantal aardachtige planeten dat rond M-type sterren is ontdekt, in combinatie met de natuurlijke levensduur van deze klasse van sterren, heeft velen in de astrofysische gemeenschap ertoe gebracht te wagen dat rode dwergsterren de meest waarschijnlijke plaats zijn om bewoonbare exoplaneten te vinden.
Met deze laatste studie, die aangeeft dat deze planeten toch bewoonbaar zouden kunnen zijn, lijkt het erop dat de bal effectief terug in hun baan is!
