In het hart van het NASA Center for Climate Simulation (NCCS) - onderdeel van NASA's Goddard Space Flight Center - bevindt zich de Discover-supercomputer, een 129.000-core cluster van op Linux gebaseerde processors. Deze supercomputer, die in staat is om 6,8 petaflops (6,8 biljoen) bewerkingen per seconde uit te voeren, heeft de taak om geavanceerde klimaatmodellen uit te voeren om te voorspellen hoe het klimaat op aarde er in de toekomst uit zal zien.
De NCCS is echter ook begonnen met het toewijzen van een deel van de supercomputerkracht van de Discover om te voorspellen hoe de omstandigheden zouden kunnen zijn op een van de meer dan 4.000 planeten die buiten ons zonnestelsel zijn ontdekt. Niet alleen hebben deze simulaties aangetoond dat veel van deze planeten bewoonbaar zouden kunnen zijn, ze zijn verder bewijs dat onze noties van "bewoonbaarheid" een herbezinning zouden kunnen gebruiken.
Ondanks het grote aantal ontdekkingen van exoplaneten dat in het afgelopen decennium heeft plaatsgevonden, zijn wetenschappers nog steeds gedwongen om op klimaatmodellen te vertrouwen om te bepalen welke van hen "potentieel bewoonbaar" zouden kunnen zijn. Op dit moment is het verkennen van deze planeten via ruimtevaartuigen volstrekt onpraktisch vanwege de enorme afstanden.
Zoals we in een vorig artikel hebben besproken, zou het tussen de 19.000 en 81.000 jaar duren om het dichtstbijzijnde zonnestelsel (Alpha Centauri) te bereiken met behulp van de huidige methoden en technologie. Bovendien is directe waarneming van exoplaneten alleen in zeldzame gevallen mogelijk met behulp van de telescopen van tegenwoordig, die doorgaans bestaan uit enorme planeten die op grote afstand om hun sterren cirkelen. Deze planeten hebben de neiging gasreuzen te zijn en zijn daarom geen kandidaten voor bewoonbaarheid.
In ieder geval hebben astronomen ontdekt dat alle planeten die buiten ons zonnestelsel zijn waargenomen, nogal eclectisch van aard zijn. De 4.108 exoplaneten die tot nu toe zijn bevestigd, waren voor het grootste deel ofwel Neptunus-achtige gasreuzen (1375), Jupiter-achtige gasreuzen (1293) of Super-aardes (1273). Slechts 161 exoplaneten waren aardse (ook bekend als rotsachtige of "aarde-achtige") van aard, allemaal gevonden rond M-type (rode dwerg) sterren.
Zoals Elisa Quintana - een astrofysicus van NASA Goddard die het team leidde dat verantwoordelijk was voor de ontdekking van Kepler-186f in 2014, de eerste planeet op aarde in een bewoonbare zone (HZ) - legde uit:
“Lange tijd waren wetenschappers echt gefocust op het vinden van zon- en aardachtige systemen. Dat is alles wat we wisten. Maar we ontdekten dat er een hele gekke diversiteit aan planeten is. We vonden planeten zo klein als de maan. We hebben gigantische planeten gevonden. En we hebben er een paar gevonden die rond kleine sterren, gigantische sterren en meerdere sterren draaien. '
De ontdekking van terrestrische planeten die in de HZ's van rode dwergen cirkelen, was aanvankelijk een bron van grote opwinding. Deze sterren zijn niet alleen de meest voorkomende in ons heelal - alleen al goed voor 85% van de sterren in de Melkweg - maar er zijn er ook een aantal gevonden die in een baan om de sterren draaien die zich dicht bij het zonnestelsel bevinden.
Dit omvat de drie planeten die in een baan rond de HZ van TRAPPIST-1 (39,46 lichtjaar afstand) en Proxima b, de dichtstbijzijnde exoplaneet van de aarde (4,24 lichtjaar afstand), cirkelen. Helaas zijn er de afgelopen jaren talloze onderzoeken uitgevoerd die hebben aangetoond dat deze planeten het moeilijk zullen hebben om in de loop van de tijd een leefbare atmosfeer te behouden.
Simpel gezegd, het feit dat ze kleiner en koeler zijn, betekent dat rode dwergen HZ's hebben die veel dichter bij hun oppervlak liggen. Dit betekent dat elke planeet die in een baan draait met de HZ van een rode dwerg waarschijnlijk met hen wordt opgesloten, wat betekent dat één kant constant naar de ster gericht is en aan de ontvangende kant van alle warmte, straling en zonnewind van de ster.
Of deze planeten al dan niet bewoonbaar zouden kunnen zijn, hangt daarom af van een aantal factoren, zoals de aanwezigheid van een dichte atmosfeer, de aanwezigheid van een magnetosfeer en de juiste chemische overvloed. In plaats van dat ze planeten direct kunnen zien en kunnen vaststellen of deze ingrediënten voor het leven (ook bekend als biosignaturen) bestaan, vertrouwen wetenschappers op klimaatmodellen om te helpen bij het zoeken naar 'potentieel bewoonbare' exoplaneten.
Volgens Karl Stapelfeldt, NASA's belangrijkste exoplanetaire wetenschapper die is gevestigd in het Jet Propulsion Laboratory, is het vermogen om het klimaat op andere planeten te modelleren absoluut essentieel. naar de toekomst van ruimteverkenning "De modellen maken specifieke, toetsbare voorspellingen van wat we zouden moeten zien", zei hij. "Deze zijn erg belangrijk voor het ontwerpen van onze toekomstige telescopen en observatiestrategieën."
Simpel gezegd, klimaatmodellering houdt in dat een simulatie wordt gemaakt van hoe het klimaat op aarde (of die van een andere planeet) eruit zal zien op basis van specifieke omstandigheden en / of veranderingen in het milieu. Dit werk werd jarenlang uitgevoerd door Anthony Del Genio, een onlangs gepensioneerde planetaire klimaatwetenschapper aan het Goddard Institute for Space Studies van NASA. Tijdens zijn carrière voerde Del Genio klimaatsimulaties uit met de aarde en andere planeten (waaronder Proxima b).
Samenvattend: Proxima b is ongeveer even groot als de aarde en minstens 1,3 keer zo groot. Hij draait zijn ster (Proxima Centauri) eens in de 11,2 aardse dagen en op een afstand van 0,05 AU (5% van de afstand tussen de aarde en de zon). Op deze afstand wordt de planeet waarschijnlijk door zwaartekracht aan zijn ster vastgemaakt, waarbij de ene kant constant wordt blootgesteld aan de intense straling van de ster, terwijl de andere wordt blootgesteld aan constante duisternis en vriestemperaturen.
Het team van Del Genio simuleerde onlangs echter opnieuw mogelijke klimaten op Proxima b om te testen hoeveel er zouden resulteren in een warme en natte omgeving die het leven zou kunnen ondersteunen. Interessant genoeg toonden deze simulaties aan dat planeten zoals Proxima b zelfs bewoonbaar zouden kunnen zijn, ondanks dat ze netjes op slot zijn en alle straling waaraan één kant wordt blootgesteld.
Om deze simulaties uit te voeren, gebruikte het team van Del Genio de Discover-supercomputer om een door hen zelf ontwikkelde planetaire simulator uit te voeren - ROCKE-3D genaamd. Deze simulator is gebaseerd op een versie van het klimaatmodel van de aarde die voor het eerst werd ontwikkeld in de jaren zeventig en die werd geüpgraded zodat het klimaat op andere planeten kon simuleren, gedeeltelijk gebaseerd op het soort banen dat ze zouden kunnen hebben en hun atmosferische composities.
Voor elke simulatie varieerde het team van Del Genio de omstandigheden op Proxima b om te zien hoe dit het klimaat zou beïnvloeden. Dit omvatte het aanpassen van de soorten en hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer, de diepte, grootte en zoutgehalte van de oceanen en de verhouding tussen land en water. Hieruit konden ze zien hoe wolken en oceanen zouden circuleren en hoe straling van de zon van de planeet zou interageren met de atmosfeer en het oppervlak van Proxima b.
Wat ze ontdekten was dat de hypothetische wolkenlaag van Proxima b als een schild zou fungeren, waardoor de zonnestraling van het oppervlak zou worden afgebogen en de temperatuur aan de zonzijde van Proxima b zou worden verlaagd. Dit komt overeen met onderzoek uitgevoerd door wetenschappers Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) bij NASA Goddard, waaruit bleek hoe Proxima b wolken kon vormen die zo massief waren dat ze de hele hemel zouden bedekken.
Zoals Ravi Kopparapu, een planetaire wetenschapper van NASA Goddard die ook de potentiële klimaten van exoplaneten modelleert, het uitlegde:
“Als een planeet door de zwaartekracht is vergrendeld en langzaam om zijn as draait, vormt zich een cirkel van wolken voor de ster, die er altijd naar wijst. Dit komt door de kracht die bekend staat als het Coriolis-effect, dat convectie veroorzaakt op de locatie waar de ster de atmosfeer verwarmt. Onze modellen laten zien dat Proxima b er zo uit kan zien. ”
Naast de oceaancirculatie zou deze cirkel van wolken ook betekenen dat warme lucht en water naar de donkere kant van de planeet konden bewegen, waardoor warmteoverdracht werd bereikt en de hele planeet gastvrijer werd. "Dus je zorgt er niet alleen voor dat de atmosfeer aan de nachtkant niet bevriest, je creëert aan de nachtkant delen die eigenlijk vloeibaar water aan de oppervlakte houden, ook al zien die delen geen licht", zei Del Genio.
Naast het circuleren en behouden van warmte, zijn atmosferen en zeestromingen ook verantwoordelijk voor de distributie van gassen en chemische elementen die nodig zijn voor het leven zoals we het kennen - bijv. zuurstofgas, koolstofdioxide, methaan, enz. Deze staan bekend als "biosignaturen", omdat ze ofwel essentieel zijn voor het leven hier op aarde of worden geassocieerd met biologische processen.
'Zoals we het kennen' is hier echter het sleutelwoord. Op dit moment blijft de aarde de enige bekende bewoonbare planeet en de verschillende levensvormen die ze ondersteunt, zijn de enige voorbeelden die we kennen. Als zodanig is het zoeken naar leven buiten de aarde momenteel beperkt tot het zoeken naar biosignaturen die nodig zijn voor (en geassocieerd met bekende) levensvormen. Dit noemen we de 'laaghangende fruitbenadering'.
Bovendien is de aarde de afgelopen paar miljard jaar aanzienlijk geëvolueerd, evenals de levensvormen die haar naar huis hebben geroepen. Terwijl zuurstofgas tegenwoordig essentieel is voor zoogdieren, zou het giftig zijn geweest voor de fotosynthetische bacteriën die gedijen in een overwegend kooldioxide- en stikstofgasatmosfeer die miljarden jaren geleden op aarde bestond.
Dus hoewel dit soort modellering niet met zekerheid kan zeggen of een planeet bewoond is, kan het zeker de zoektocht beperken door te laten zien welke kandidaten veelbelovende doelen zijn voor vervolgwaarnemingen. "Hoewel ons werk de waarnemers niet kan vertellen of een planeet bewoonbaar is of niet, kunnen we hen vertellen of een planeet in het midden van goede kandidaten staat om verder te zoeken", zei Del Genio.
Dit zal vooral nuttig zijn in de komende jaren wanneer telescopen van de volgende generatie de ruimte in gaan. Deze omvatten de James Webb-ruimtetelescoop, die gepland staat voor lancering in 2021, en de Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), die wordt gelanceerd in 2023. Samen met op de grond gebaseerde observatoria zoals de Extremely Large Telescope (ELT), deze instrumenten stellen wetenschappers in staat om voor het eerst direct kleinere planeten te observeren.
Coronografen zoals de Starshade zullen ook een groot verschil maken door het licht van sterren te overstemmen, wat anders het licht dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer van een planeet verduistert. Deze en andere ontwikkelingen zorgen ervoor dat astronomen ook de atmosfeer van rotsachtige exoplaneten kunnen bestuderen, waardoor ze eindelijk met vertrouwen kunnen zeggen welke planeten 'mogelijk bewoonbaar' zijn.
Bekijk deze animatie van het klimaat van Proxima b, met dank aan het team van Del Genio en het NASA Goddard Space Flight Center:
