Jotta planeetalla voitaisiin katsoa olevan asumiskelpoinen, siinä on oltava nestemäistä vettä. Solut, elämän pienin yksikkö, tarvitsevat vettä toimiakseen. Jotta nestemäinen vesi olisi olemassa, planeetan lämpötilan on oltava oikea. Mutta entä planeetan koko?
Ilman riittävää massaa planeetalla ei ole tarpeeksi painovoimaa pitääkseen kiinni vedestään. Uusi tutkimus yrittää ymmärtää, kuinka koko vaikuttaa planeetan kykyyn pitää kiinni vedestään ja sen seurauksena sen asuttavuuteen.
Kysymys siitä, mikä voisi tehdä planeetan asumiskelpoiseksi, on jatkuva keskustelu. Ei vain eksoplaneetoille, vaan myös joillekin oman aurinkokuntamme tulevaisuuden kuuille. Tutkijoilla on melko hyvä käsitys siitä, kuinka paljon energiaa planeetta tarvitsee tähdestään ylläpitääkseen nestemäistä vettä. Siitä on syntynyt suosittu käsitys ' Goldilocks Zone ”, eli tähtien ympärillä oleva asuttava vyöhyke, läheisyysalue, joka ei ole liian lähellä tai kaukana tähdestä, jotta nestemäinen vesi voisi pysyä planeetalla.
Kun eksoplaneettojen etsiminen asutusvyöhykkeiltä lisääntyy ja kun saamme parempia teleskooppeja ja tekniikoita eksoplaneettojen tutkimiseen yksityiskohtaisemmin, tiedemiehet tarvitsevat enemmän rajoituksia sille, mihin planeetoihin he käyttävät resurssien tarkkailua varten. Kuten tämä paperi osoittaa, planeetan massa voi olla hyödyllinen suodatin.
Uusi lehti on nimeltään ' Ilmakehän evoluutio matalan painovoiman vesimaailmassa .” Se on julkaistu The Astrophysical Journal -lehdessä. Pääkirjailija on Constantin W. Arnscheidt, MIT:n grad-opiskelija.
Nestemäisen veden ja ilmakehän ylläpitämiseksi pinnallaan eksoplaneetalla tai eksokuulla on oltava tarpeeksi massaa, muuten vesi ja ilmakehä yksinkertaisesti ajautuvat avaruuteen. Ja sen on pysyttävä vedessä tarpeeksi kauan, jotta elämä ilmestyisi. Tähtitieteilijät käyttävät tätä varten miljardin vuoden lukua.
'Kun ihmiset ajattelevat asumiskelpoisen vyöhykkeen sisä- ja ulkoreunoja, he yleensä ajattelevat sitä vain spatiaalisesti eli kuinka lähellä planeetta on tähteä', sanoi Constantin Arnscheidt, paperin ensimmäinen kirjoittaja. 'Mutta itse asiassa asutettavuuteen liittyy monia muita muuttujia, mukaan lukien massa. Asumiskelpoisuuden alarajan asettaminen planeetan koon suhteen muodostaa meille tärkeän rajoitteen jatkuvalle asumiskelpoisten eksoplaneettojen ja eksokuuiden metsästäjille.'
'Kultakutri'-vyöhyke tähden ympärillä on paikka, jossa planeetta ei ole liian kuuma eikä liian kylmä tukemaan nestemäistä vettä. Mutta uudet tutkimukset osoittavat, että planeettojen ei tarvitse olla vain oikealla läheisyydessä, jotta niitä voidaan pitää asumiskelpoisina, vaan niillä on oltava tarpeeksi massaa. Kuvitus Petigura/UC Berkeley, Howard/UH-Manoa, Marcy/UC Berkeley.
Asuttavan alueen koko ja laajuus riippuu tähdestä. Pienempi, vähemmän energinen tähti, kuten punainen kääpiö, luo asumiskelpoisen alueen lähemmäksi itseään kuin suurempi tähti, kuten aurinkomme. Tämä ymmärretään hyvin. Jos planeetta on liian kaukana tähdestä, vesi jäätyy. Liian lähellä, ja karkaava kasvihuoneilmiö tapahtuu, ja vesi muuttuu höyryksi ja voi kiehua avaruuteen.
Mutta pienille, pienempimassaisille planeetoille tapahtuu muutakin. He saattavat pystyä vastustamaan karannutta kasvihuoneilmiötä.
Kun pienempimassainen planeetta lämpenee, ilmakehä laajenee. Siitä tulee suurempi suhteessa ympäröivän planeetan kokoon. Tällä on kaksi vaikutusta: lisääntynyt pintakoko tarkoittaa, että ilmakehä voi imeä enemmän energiaa kuin ennen, ja se voi myös säteillä enemmän energiaa kuin ennen.
Kokonaistulos tästä on tutkijoiden mukaan se, että paisunut ilmakehä pysäyttää karanneen kasvihuoneilmiön, ja he voivat säilyttää pintavedensä. Tämä tarkoittaa, että he voivat olla lähempänä tähteään menettämättä vettä, mikä laajentaa Goldilocks-vyöhykettä pienempiä eksoplaneettoja varten.
Tietysti on raja. Jos pienimassainen planeetta on liian pieni, sillä ei ole tarpeeksi painovoimaa ja ilmakehä irtoaa ja vesi joko irtoaa sen mukana tai jäätyy pinnalle. Tämä tarkoittaa, että elämännäkymät ovat hämärät. Tutkijat sanovat, että planeetan asumiselle on kriittinen alaraja. Tämä tarkoittaa, että planeetan asuttavuuden määräävän tähden läheisyydessä on myös kokorajoitus.
Yksinkertaisesti sanottuna planeetta voi olla liian pieni ollakseen asumiskelpoinen, vaikka se olisi Goldilocks-vyöhykkeellä.
Tämä kuva näyttää asuttavuuden alarajan planeetan massan mukaan. Jos esine on pienempi kuin 2,7 prosenttia Maan massasta, sen ilmakehä pakenee ennen kuin se ehtii kehittää nestemäistä pintavettä (kuva Harvard SEAS:n luvalla).
Tämä kriittinen koko on Arnscheidtin ja muiden tutkimuksen tekijöiden mukaan 2,7 prosenttia Maan massasta. He sanovat, että mikä tahansa pienempi kuin tämä, ja planeetta ei yksinkertaisesti pysty pitämään ilmakehästä ja vedestä tarpeeksi kauan, jotta elämä syntyisi. Asiayhteydessä Kuu on 1,2 prosenttia Maan massasta ja Merkurius 5,53 prosenttia.
Tutkijat käyttävät esimerkkinä komeetan kaltaisia planeettoja. Komeetoissa on paljon vettä, joka sublimoituu, kun ne lähestyvät aurinkoa. Mutta heiltä puuttuu tarvittava massa pitääkseen kiinni tuosta höyrystä, eivätkä ne voi koskaan muodostaa ilmakehää. Vesi katoaa avaruuteen. Joten planeetta, joka oli liian pieni, vaikka sillä olisi paljon vettä, ei koskaan kestäisi sitä.
Tutkijat käyttivät malleja arvioidakseen pienimassaisen planeetan asumiskelpoista vyöhykettä kahden erityyppisen tähden ympärillä: M-tyypin eli punaisen kääpiötähden ja G-tyypin tähden, kuten aurinkomme.
Taiteilijan kuva eksoplaneettasta ja sen kuusta, joka kiertää punaista kääpiötähtä. NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/D. Aguilar – http://www.nasa.gov/sites/default/files/reddwarfplanet_cfa_full_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31666101
He ovat myös saattaneet ratkaista toisen pitkäaikaisen kysymyksen asuinkelpoisuudesta omassa aurinkokunnassamme. Jupiterin kuut Ganymede , Callisto , ja Eurooppa kaikilla on runsaasti nestemäistä vettä, jääkerrosten alle. Tähtitieteilijät ovat pohtineet, olisivatko ne asumiskelpoisia, kun Aurinko säteilee enemmän energiaa jossain vaiheessa tähtien tulevaisuuttaan. Mutta tekijöiden töiden mukaan heiltä puuttuu massa pitääkseen kiinni vedestä, vaikka ne lämpenisivätkin tarpeeksi. Ganymede tulee lähelle, 2,5 % Maan massasta, mutta se on tarpeeksi pieni ollakseen 'komeetan kaltainen' ja menettääkseen kaiken vedensä avaruuteen.
'Matalamassainen vesimaailmat ovat kiehtova mahdollisuus elämän etsinnässä, ja tämä artikkeli osoittaa, kuinka erilainen niiden käyttäytyminen todennäköisesti on verrattuna Maan kaltaisten planeettojen käyttäytymiseen', sanoi Robin Wordsworth, SEASin ympäristötieteen ja -tekniikan apulaisprofessori ja vanhempi kirjoittaja tutkimus. 'Kun tämän luokan esineiden havainnot ovat mahdollisia, on jännittävää yrittää testata näitä ennusteita suoraan.'
Kuten käy ilmi, ei vain Maa ole oikealla etäisyydellä Auringosta ollakseen asuttava, vaan myös planeettamme on oikealla massaalueella. Kiitokset: NASA Goddard Space Flight Center
Tutkijat tekivät työssään joitain tarpeellisia oletuksia. He olettivat, että heidän pienimassaisten maailmojensa ilmapiiri oli puhdasta vesihöyryä. He olettivat myös, että vesi oli kiinteästi 40 % planeetan massasta. He jättivät huomiotta myös tietyt muut tekijät, kuten hiilidioksidin pyöräilyn, pilvipeitteen ja valtamerten kemian. Heidän työnsä tässä vaiheessa on yksinkertaisesti liian monia muuttujia mallinnettavaksi.
Kirjoittajat käsittelevät myös ajatusta asuttavasta eksokuut eksoplaneettojen sijaan. On mahdollista, että muissa aurinkokunnissa kuut saattavat olla todennäköisemmin asuttavia kuin planeetat. Siinä tapauksessa muut tekijät tulevat peliin, kuten vuorovesivoimat. Se voi olla varsinkin totta noin M-tyyppinen tähdet tai punaiset kääpiöt. Tämä johtuu siitä, että näiden vähäenergiaisten tähtien ympärillä oleva asuttava vyöhyke on jo paljon lähempänä tähteä kuin sen ympärillä. G-tyyppinen tähti kuin aurinkomme. Eksokuun, sen planeetan ja tähden yhdistetyt gravitaatiovoimat saattavat poistaa asumisen kokonaan.
He tunnustavat myös joitain lukuisista muista asuttavuuteen vaikuttavista tekijöistä. Esimerkiksi vaikka Ganymeden kaltaiset kuut saattavat olla liian pieniä asuakseen mallissaan, ne voivat hyvinkin olla elämää niiden pinnanalaisissa valtamerissä, joissa paksu jääkerros estää vettä karkaamasta.
Asumiskelpoisuuden määrittämisessä on vielä paljon tehtävää. Kuten kirjoittajat sanovat artikkelissaan, 'Lisätyössä voitaisiin harkita monimutkaisempia hydrodynaamisen pakomalleja.' Eksoplaneetoissa on enemmän vaihtelua ja monimutkaisuutta kuin tiedämme juuri nyt, mutta tämä tutkimus alkaa käsitellä joitakin niistä.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Goldilocks-vyöhyke planeetan koon mukaan
- Tutkimus paperi: Ilmakehän evoluutio matalan painovoiman vesimaailmassa
- Universumi tänään: Mitkä asumisvyöhykkeet ovat parhaita elämän etsimiseen?