Ondanks de duizenden exoplaneten die de afgelopen jaren door astronomen zijn ontdekt, is het een grote uitdaging om te bepalen of ze al dan niet bewoonbaar zijn. Omdat we deze planeten niet rechtstreeks kunnen bestuderen, moeten wetenschappers op zoek gaan naar indirecte indicaties. Deze staan bekend als biosignaturen, die bestaan uit de chemische bijproducten die we associëren met organisch leven dat opduikt in de atmosfeer van een planeet.
Een nieuwe studie door een team van NASA-wetenschappers stelt een nieuwe methode voor om te zoeken naar mogelijke tekenen van leven buiten ons zonnestelsel. De sleutel, raden ze aan, is om te profiteren van frequente sterrenstormen van koele, jonge dwergsterren. Deze stormen werpen enorme wolken van stellair materiaal en straling de ruimte in, interageren met exoplaneetatmosferen en produceren biosignaturen die kunnen worden gedetecteerd.
De studie, getiteld "Atmospheric Beacons of Life from Exoplanets Around G and K Stars", verscheen onlangs in Nature Scientific Reports. Geleid door Vladimir S. Airapetian, een senior astrofysicus bij de Heliophysics Science Division (HSD) van het NASA Goddard Space Flight Center, bestond het team uit leden van NASA's Langley Research Center, het Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) en de American University .
Traditioneel zijn onderzoekers op zoek naar tekenen van zuurstof en methaan in exoplaneetatmosferen, omdat dit bekende bijproducten zijn van organische processen. Na verloop van tijd hopen deze gassen zich op en bereiken hoeveelheden die met spectroscopie kunnen worden gedetecteerd. Deze benadering is echter tijdrovend en vereist dat astronomen dagen besteden aan het observeren van spectra van een verre planeet.
Maar volgens Airapetian en zijn collega's is het mogelijk om te zoeken naar ruwere handtekeningen op potentieel bewoonbare werelden. Deze aanpak zou steunen op bestaande technologie en middelen en zou aanzienlijk minder tijd kosten. Zoals Airapetian uitlegde in een NASA-persbericht:
"We zijn op zoek naar moleculen die zijn gevormd uit fundamentele voorwaarden voor leven - met name moleculaire stikstof, dat is 78 procent van onze atmosfeer. Dit zijn basismoleculen die biologisch vriendelijk zijn en een sterk infrarood emitterend vermogen hebben, waardoor onze kans om ze te detecteren groter wordt. '
Met behulp van het leven op aarde als model, ontwierpen Airapetian en zijn team een nieuwe methode om te kijken of tekenen van bijproducten van waterdamp, stikstof en zuurstofgas in exoplanetenatmosferen. De echte truc is echter om te profiteren van de soorten extreme weersomstandigheden in de ruimte die optreden bij actieve dwergsterren. Deze gebeurtenissen, die planetaire atmosferen blootstellen aan uitbarstingen van straling, veroorzaken chemische reacties die astronomen kunnen opvangen.
Als het gaat om sterren zoals onze zon, een G-type gele dwerg, komen dergelijke weersomstandigheden vaak voor als ze nog jong zijn. Het is echter bekend dat andere gele en oranje sterren miljarden jaren actief blijven en stormen van energetische, geladen deeltjes produceren. En M-type (rode dwerg) sterren, het meest voorkomende type in het heelal, blijven actief gedurende hun lange levensduur en onderwerpen hun planeten periodiek aan minifakkels.
Wanneer deze een exoplaneet bereiken, reageren ze met de atmosfeer en veroorzaken ze de chemische dissociatie van stikstof (N²) en zuurstof (O²) gas in afzonderlijke atomen en waterdamp in waterstof en zuurstof. De afgebroken stikstof- en zuurstofatomen veroorzaken vervolgens een cascade van chemische reacties die hydroxyl (OH), meer moleculaire zuurstof (O) en stikstofoxide (NO) produceren - wat wetenschappers 'atmosferische bakens' noemen.
Wanneer sterrenlicht de atmosfeer van een planeet raakt, absorberen deze bakenmoleculen de energie en zenden ze infraroodstraling uit. Door de specifieke golflengten van deze straling te onderzoeken, kunnen wetenschappers bepalen welke chemische elementen aanwezig zijn. De signaalsterkte van deze elementen is ook een indicatie van de atmosferische druk. Samengevat stellen deze metingen wetenschappers in staat om de dichtheid en samenstelling van een atmosfeer te bepalen.
Al tientallen jaren gebruiken astronomen ook een model om te berekenen hoe ozon (O³) wordt gevormd in de atmosfeer van de aarde uit zuurstof die wordt blootgesteld aan zonnestraling. Met behulp van hetzelfde model - en in combinatie met ruimteweergebeurtenissen die worden verwacht van koele, actieve sterren - probeerden Airapetian en zijn collega's te berekenen hoeveel stikstofmonoxide en hydroxyl zich zouden vormen in een aardachtige atmosfeer en hoeveel ozon zou worden vernietigd .
Om dit te bereiken, raadpleegden ze gegevens van NASA's missie Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), die al jaren de vorming van bakens in de atmosfeer van de aarde bestudeert. In het bijzonder gebruikten ze gegevens van de Sounding of the Atmosphere met behulp van Broadband Emission Radiometry (SABER) -instrument, waarmee ze konden simuleren hoe infraroodwaarnemingen van deze bakens in exoplaneetatmosferen zouden kunnen verschijnen.
Zoals Martin Mlynczak, de SABER-hoofdonderzoeker bij het Langley Research Center van NASA en medeauteur van de paper, zei:
'Met wat we weten over infrarode straling die door de atmosfeer van de aarde wordt uitgezonden, is het de bedoeling om naar exoplaneten te kijken en te zien wat voor soort signalen we kunnen detecteren. Als we exoplaneetsignalen vinden in bijna dezelfde verhouding als die van de aarde, zouden we kunnen zeggen dat de planeet een goede kandidaat is om het leven te huisvesten. "
Wat ze ontdekten was dat de frequentie van intense sterrenstormen rechtstreeks verband hield met de sterkte van de warmtesignalen die afkomstig waren van de atmosferische bakens. Hoe meer stormen zich voordoen, des te meer bakenmoleculen worden gecreëerd, die een signaal genereren dat sterk genoeg is om vanaf de aarde te worden waargenomen met een ruimtetelescoop, en gebaseerd op slechts twee uur observatietijd.
Ze ontdekten ook dat dit soort methode exoplaneten kan verwijderen die geen aardachtig magnetisch veld bezitten, dat van nature in wisselwerking staat met geladen deeltjes van de zon. De aanwezigheid van een dergelijk veld zorgt ervoor dat de atmosfeer van een planeet niet wordt weggenomen en is daarom essentieel voor bewoonbaarheid. Zoals Airapetian uitlegde:
'Een planeet heeft een magnetisch veld nodig, dat de atmosfeer afschermt en de planeet beschermt tegen stellaire stormen en straling. Als stellaire winden niet zo extreem zijn dat ze het magnetische veld van een exoplaneet dicht bij zijn oppervlak comprimeren, voorkomt het magnetische veld atmosferische ontsnapping, dus er zijn meer deeltjes in de atmosfeer en een sterker resulterend infraroodsignaal. "
Dit nieuwe model is om verschillende redenen belangrijk. Enerzijds laat het zien hoe onderzoek dat gedetailleerde studies van de atmosfeer van de aarde mogelijk heeft gemaakt en hoe het in wisselwerking staat met het ruimteweer, nu wordt gericht op de studie van exoplaneten. Het is ook opwindend omdat het nieuwe studies naar de bewoonbaarheid van exoplaneten rond bepaalde klassen van sterren mogelijk zou kunnen maken - variërend van vele soorten gele en oranje sterren tot koele, rode dwergsterren.
Rode dwergen zijn het meest voorkomende type ster in het heelal, goed voor 70% van de sterren in spiraalstelsels en 90% in elliptische sterrenstelsels. Bovendien schatten astronomen, op basis van recente ontdekkingen, dat rode dwergsterren zeer waarschijnlijk systemen van rotsachtige planeten hebben. Het onderzoeksteam verwacht ook dat ruimte-instrumenten van de volgende generatie, zoals de James Webb-ruimtetelescoop, de kans op het vinden van bewoonbare planeten met dit model zullen vergroten.
William Danchi, een senior astrofysicus en medeauteur van Goddard over de studie, zei:
"Nieuwe inzichten over het levenspotentieel op exoplaneten zijn kritisch afhankelijk van interdisciplinair onderzoek waarin gegevens, modellen en technieken worden gebruikt vanuit de vier wetenschappelijke divisies van NASA Goddard: heliofysica, astrofysica, planetaire en aardwetenschappen. Deze mix produceert unieke en krachtige nieuwe wegen voor exoplaneetonderzoek. ”
Totdat we exoplaneten rechtstreeks kunnen bestuderen, is elke ontwikkeling die biosignaturen beter waarneembaar maakt en gemakkelijker te detecteren, ongelooflijk waardevol. Project Blue en Breakthrough Starshot hopen de komende jaren de eerste directe studies van het Alpha Centauri-systeem uit te voeren. Maar ondertussen zijn verbeterde modellen die ons in staat stellen talloze andere sterren te onderzoeken op mogelijk bewoonbare exoplaneten goudkleurig!
Ze zullen niet alleen ons begrip van hoe gewoon zulke planeten zijn enorm verbeteren, ze kunnen ons ook gewoon in de richting van een of meer Earth 2.0s wijzen!
