Bij het zoeken naar potentieel bewoonbare extra-zonneplaneten worden wetenschappers enigszins beperkt door het feit dat we slechts één planeet kennen waar leven bestaat (d.w.z. de aarde). Om deze reden zoeken wetenschappers naar planeten die aards (d.w.z. rotsachtig) zijn, in een baan rond de bewoonbare zones van hun ster, en tekenen van biosignaturen vertonen, zoals atmosferische kooldioxide - wat essentieel is voor het leven zoals we het kennen.
Dit gas, dat grotendeels het gevolg is van vulkanische activiteit hier op aarde, verhoogt de oppervlaktewarmte door het broeikaseffect en cycli tussen de ondergrond en de atmosfeer door natuurlijke processen. Om deze reden hebben wetenschappers lang geloofd dat plaattektoniek essentieel is voor bewoonbaarheid. Volgens een nieuwe studie door een team van de Pennsylvania State University is dit echter mogelijk niet het geval.
De studie, getiteld "Carbon Cycling and Habitability of Earth-Sized Stagnant Lid Planets", is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Astrobiologie. De studie werd uitgevoerd door Bradford J. Foley en Andrew J. Smye, twee universitair docenten van de afdeling geowetenschappen van de Pennsylvania State University.
Op aarde is vulkanisme het resultaat van platentektoniek en vindt plaats waar twee platen botsen. Dit veroorzaakt subductie, waarbij de ene plaat onder de andere en dieper in de ondergrond wordt geduwd. Deze subductie verandert de dichte mantel in drijvend magma, dat door de korst naar het aardoppervlak stijgt en vulkanen creëert. Dit proces kan ook helpen bij koolstofcycli door koolstof in de mantel te duwen.
Platentektoniek en vulkanisme zouden centraal staan in de opkomst van leven hier op aarde, omdat het ervoor zorgde dat onze planeet voldoende warmte had om vloeibaar water op het oppervlak te houden. Om deze theorie te testen, creëerden professoren Foley en Smye modellen om te bepalen hoe bewoonbaar een aardachtige planeet zou zijn zonder de aanwezigheid van platentektoniek.
Deze modellen hielden rekening met de thermische evolutie, de productie van aardkorst en CO2 fietsen om de bewoonbaarheid van rotsachtige, stagnerende dekselplaneten op aarde te beperken. Dit zijn planeten waarbij de korst bestaat uit een enkele, gigantische bolvormige plaat die op een mantel drijft, in plaats van in afzonderlijke stukken. Van dergelijke planeten wordt aangenomen dat ze veel vaker voorkomen dan planeten met platentektoniek, aangezien er nog geen planeten buiten de aarde zijn bevestigd die tektonische platen hebben. Zoals Prof. Foley uitlegde in een persbericht van Penn State News:
'Door vulkanisme komen gassen vrij in de atmosfeer, en door verwering wordt kooldioxide uit de atmosfeer getrokken en in oppervlakte gesteenten en sediment opgeslagen. Door die twee processen met elkaar in evenwicht te brengen, blijft de koolstofdioxide op een bepaald niveau in de atmosfeer, wat erg belangrijk is voor het feit of het klimaat gematigd en levenslang geschikt blijft.
In wezen hielden hun modellen rekening met hoeveel warmte het klimaat van een stagnerende dekselplaneet kon vasthouden op basis van de hoeveelheid warmte en warmte producerende elementen die aanwezig waren toen de planeet werd gevormd (ook bekend als het oorspronkelijke warmtebudget). Op aarde omvatten deze elementen uranium dat thorium en warmte produceert wanneer het vervalt, dat vervolgens vervalt om kalium en warmte te produceren.
Na honderden simulaties te hebben uitgevoerd, die de grootte en de chemische samenstelling van de planeet varieerden, ontdekten ze dat stagnerende dekselplaneten in staat zouden zijn om warm genoeg temperaturen te handhaven zodat vloeibaar water miljarden jaren op hun oppervlak zou kunnen blijven bestaan. In extreme gevallen kunnen ze levensondersteunende temperaturen tot 4 miljard jaar aanhouden, wat bijna de leeftijd van de aarde is.
Zoals Smye aangaf, komt dit gedeeltelijk doordat platentektoniek niet altijd nodig is voor vulkanische activiteit:
"Je hebt nog steeds vulkanisme op planeten met een stagnerende deksel, maar het is veel korter dan op planeten met platentektoniek omdat er niet zoveel gefietst wordt. Vulkanen resulteren in een opeenvolging van lavastromen, die in de loop van de tijd als lagen van een cake worden begraven. Rotsen en sediment worden warmer naarmate ze dieper worden begraven. '
De onderzoekers ontdekten ook dat stagnerende dekselplaneten zonder plaattektoniek nog steeds voldoende warmte en druk zouden kunnen hebben om ontgassing te ervaren, waarbij koolstofdioxidegas uit rotsen kan ontsnappen en zijn weg naar de oppervlakte kan vinden. Op aarde, zei Smye, vindt hetzelfde proces plaats met water in subductiefoutzones. Dit proces neemt toe op basis van de hoeveelheid warmte producerende elementen die op de planeet aanwezig is. Zoals Foley uitlegde:
"Er is een sweet spot-bereik waar een planeet genoeg kooldioxide afgeeft om te voorkomen dat de planeet bevriest, maar niet zozeer dat de verwering kooldioxide niet uit de atmosfeer kan trekken en het klimaat gematigd kan houden."
Volgens het model van de onderzoekers waren de aanwezigheid en de hoeveelheid warmte-producerende elementen veel betere indicatoren voor het potentieel van een planeet om het leven in stand te houden. Op basis van hun simulaties ontdekten ze dat de initiële samenstelling of grootte van een planeet erg belangrijk is om te bepalen of het al dan niet bewoonbaar wordt. Of zoals ze het zeggen, de potentiële bewoonbaarheid van een planeet wordt bepaald bij de geboorte.
Door aan te tonen dat stagnerende dekselplaneten nog steeds het leven zouden kunnen ondersteunen, heeft deze studie het potentieel om het bereik van wat wetenschappers als potentieel bewoonbaar beschouwen aanzienlijk uit te breiden. Wanneer de James Webb Space Telescope (JWST) in 2021 wordt ingezet, onderzoekt de atmosfeer van stilstaande dekselplaneten om de aanwezigheid van biosignaturen (zoals CO2) zal een belangrijke wetenschappelijke doelstelling zijn.
Wetende dat meer van deze werelden het leven in stand kunnen houden, is zeker goed nieuws voor degenen die hopen dat we in onze levens bewijzen vinden van buitenaards leven.
