Sökandet efter liv bortom jorden börjar i beboeliga zoner, regionerna runt stjärnor där förhållandena potentiellt kan tillåta flytande vatten – vilket är nödvändigt för livet som vi känner det – att samlas på en planets yta. Ny NASA-forskning tyder på att vissa av dessa zoner faktiskt inte kan stödja liv på grund av frekventa stjärnutbrott – som spyr ut enorma mängder stjärnmaterial och strålning ut i rymden – från unga röda dvärgstjärnor.

Nu, ett tvärvetenskapligt team av NASA-forskare vill utöka hur beboeliga zoner definieras, med beaktande av effekten av stjärnaktivitet, som kan hota en exoplanets atmosfär med syreförlust. Denna forskning publicerades i Astrofysiska tidskriftsbrev den 6 februari, 2017.

"Om vi ​​vill hitta en exoplanet som kan utveckla och upprätthålla liv, vi måste ta reda på vilka stjärnor som är de bästa föräldrarna, sa Vladimir Airapetian, huvudförfattare till uppsatsen och en solforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi kommer närmare att förstå vilken typ av föräldrastjärnor vi behöver."

För att bestämma en stjärnas beboeliga zon, forskare har traditionellt övervägt hur mycket värme och ljus stjärnan avger. Stjärnor mer massiva än vår sol producerar mer värme och ljus, så den beboeliga zonen måste ligga längre ut. Mindre, svalare stjärnor ger närliggande beboeliga zoner.

Men tillsammans med värme och synligt ljus, stjärnor sänder ut röntgenstrålning och ultraviolett strålning, och producerar stjärnutbrott som blossar och koronala massutkastningar – gemensamt kallat rymdväder. En möjlig effekt av denna strålning är atmosfärisk erosion, där högenergipartiklar drar med sig atmosfäriska molekyler – som väte och syre, de två ingredienserna för vatten – ut i rymden. Airapetian och hans teams nya modell för beboeliga zoner tar nu hänsyn till denna effekt.

Sökandet efter beboeliga planeter går ofta in på röda dvärgar, eftersom dessa är de coolaste, minsta och mest talrika stjärnorna i universum – och därför relativt mottagliga för upptäckt av små planeter.

"På den negativa sidan, röda dvärgar är också benägna att få mer frekventa och kraftfulla stjärnutbrott än solen, sa William Danchi, en Goddard-astronom och medförfattare till tidningen. "För att bedöma planeternas beboelighet runt dessa stjärnor, vi måste förstå hur dessa olika effekter balanserar ut. "

En annan viktig livsfaktor är en stjärnas ålder, säger forskarna, baserat på observationer de har samlat in från NASA:s Kepler-uppdrag. Varje dag, unga stjärnor producerar superflares, kraftiga flammor och utbrott som är minst 10 gånger kraftigare än de som observerats på solen. På deras äldre, mogna motsvarigheter som liknar vår medelålders sol idag, sådana superflares observeras bara en gång vart 100:e år.

"När vi tittar på unga röda dvärgar i vår galax, vi ser att de är mycket mindre lysande än vår sol idag, " sa Airapetian. "Med den klassiska definitionen, den beboeliga zonen runt röda dvärgar måste vara 10 till 20 gånger närmare solen än jorden. Nu vet vi att dessa röda dvärgstjärnor genererar mycket röntgenstrålar och extrema ultravioletta utsläpp i exoplaneternas beboeliga zoner genom frekventa utbrott och stjärnstormar."

Superflares orsakar atmosfärisk erosion när högenergiröntgenstrålar och extrema ultravioletta utsläpp först bryter molekyler till atomer och sedan joniserar atmosfäriska gaser. Under jonisering, strålning träffar atomerna och slår av elektroner. Elektroner är mycket lättare än de nybildade jonerna, så de slipper tyngdkraftens drag mycket lättare och rusar ut i rymden.

Motsatser lockar, så när fler och fler negativt laddade elektroner genereras, de skapar en kraftfull laddningsseparation som lockar positivt laddade joner ur atmosfären i en process som kallas jonflykt.

"Vi vet att syrejonflykt sker på jorden i mindre skala eftersom solen bara uppvisar en bråkdel av aktiviteten hos yngre stjärnor, sa Alex Glocer, en Goddard-astrofysiker och medförfattare till tidningen. "För att se hur den här effekten skalar när du får mer energiinput som du skulle se från unga stjärnor, vi utvecklade en modell."

Modellen uppskattar syreutsläpp på planeter runt röda dvärgar, förutsatt att de inte kompenserar med vulkanisk aktivitet eller kometbombning. Olika tidigare atmosfäriska erosionsmodeller indikerade att väte är mest sårbart för jonflykt. Som det lättaste elementet, väte flyr lätt ut i rymden, förmodligen lämnar efter sig en atmosfär rik på tyngre grundämnen som syre och kväve.

Men när forskarna redogjorde för superflares, deras nya modell indikerar att unga röda dvärgars våldsamma stormar genererar tillräckligt med högenergistrålning för att möjliggöra utsläpp av till och med syre och kväve – byggstenar för livets väsentliga molekyler.

"Ju mer röntgen och extrem ultraviolett energi det finns, ju fler elektroner som genereras och desto starkare blir jonflyktseffekten, " sade Glocer. "Denna effekt är mycket känslig för mängden energi som stjärnan avger, vilket betyder att det måste spela en stark roll för att bestämma vad som är och inte är en beboelig planet."

Enbart med tanke på syreflykt, modellen uppskattar att en ung röd dvärg kan göra en näraliggande exoplanet obeboelig inom några tiotal till hundra miljoner år. Förlusten av både atmosfäriskt väte och syre skulle minska och eliminera planetens vattentillförsel innan livet skulle få en chans att utvecklas.

"Resultaten av detta arbete kan ha djupgående konsekvenser för dessa världars atmosfäriska kemi, "sa Shawn Domagal-Goldman, en Goddard rymdforskare som inte är involverad i studien. "The team's conclusions will impact our ongoing studies of missions that would search for signs of life in the chemical composition of those atmospheres."

Modeling the oxygen loss rate is the first step in the team's efforts to expand the classical definition of habitability into what they call space weather-affected habitable zones. When exoplanets orbit a mature star with a mild space weather environment, the classical definition is sufficient. When the host star exhibits X-ray and extreme ultraviolet levels greater than seven to 10 times the average emissions from our sun, then the new definition applies. The team's future work will include modeling nitrogen escape, which may be comparable to oxygen escape since nitrogen is just slightly lighter than oxygen.

The new habitability model has implications for the recently discovered planet orbiting the red dwarf Proxima Centauri, our nearest stellar neighbor. Airapetian and his team applied their model to the roughly Earth-sized planet, dubbed Proxima b, which orbits Proxima Centauri 20 times closer than Earth is to the sun.

Considering the host star's age and the planet's proximity to its host star, the scientists expect that Proxima b is subjected to torrents of X-ray and extreme ultraviolet radiation from superflares occurring roughly every two hours. They estimate oxygen would escape Proxima b's atmosphere in 10 million years. Dessutom, intense magnetic activity and stellar wind – the continuous flow of charged particles from a star – exacerbate already harsh space weather conditions. The scientists concluded that it's quite unlikely Proxima b is habitable.

"We have pessimistic results for planets around young red dwarfs in this study, but we also have a better understanding of which stars have good prospects for habitability, " Airapetian said. "As we learn more about what we need from a host star, it seems more and more that our sun is just one of those perfect parent stars, to have supported life on Earth."