Ett team av astronomer vid University of Chicago och Grinnell College försöker förändra hur forskare närmar sig sökandet efter jordliknande planeter som kretsar runt andra stjärnor än solen. De föredrar att använda ett statistiskt jämförande tillvägagångssätt för att söka beboeliga planeter och liv bortom solsystemet.

"Bevisets natur ska inte vara:'Kan vi peka på en planet och säga, Ja eller nej, det är planeten som rymmer främmande liv, "sade Jacob Bean, docent i astronomi och astrofysik vid UChicago. "Det är en statistisk övning. Vad kan vi säga för en ensemble av planeter om frekvensen av förekomsten av beboeliga miljöer, eller hur ofta förekommer liv på dessa planeter? "

Standardmetoden för forskning om exoplaneter, eller planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor, har inneburit att man studerat ett litet antal objekt för att avgöra om de har rätt gaser i lämpliga mängder och förhållanden för att indikera livets existens. Men i en ny tidning med medförfattare Dorian Abbot och Eliza Kempton i Astrofysiska tidskriftsbrev , Bean beskriver behovet "att tänka på astronomins tekniker och tillvägagångssätt i detta spel - inte som planetforskare som studerar exoplaneter".

"Naturen har försett oss med ett stort antal planetsystem, "sa Kempton, en biträdande professor i fysik vid Grinnell College i Iowa. "Om vi ​​undersöker ett stort antal planeter med mindre detaljerade mätningar, vi kan fortfarande få en statistisk känsla för hur vanliga beboeliga miljöer är i vår galax. Detta skulle ge oss en grund för framtiden, mer detaljerade undersökningar. "

Kempton och Bean intygar utmaningarna med att göra detaljerade observationer av en potentiellt jordliknande planet. Tillsammans har de tidigare studerat superjorden som kallas GJ 1214b, en exoplanet med en massa större än jordens men mindre än gasjättar som Neptunus och Uranus. GJ 1214b visade sig vara ganska grumlig, vilket hindrade dem från att bestämma sammansättningen av dess atmosfär.

"En stor statistisk studie gör att vi kan titta på många planeter, "Sa Kempton." Om något enda föremål visar sig vara särskilt utmanande att observera, som GJ 1214b, det kommer inte att vara en stor förlust för observationsprogrammet i det stora hela. "

Kepler-observatoriet är en spelväxlare

Inspirationen för tidningen härrörde från Beans medlemskap i Science and Technology Definition Team som bedömer potentialen för ett nytt rymdteleskop, NASA:s föreslagna stora UV/optiska/infraröda undersökning (LUVOIR).

En av LUVOIRs vetenskapliga prioriteringar är sökandet efter jordliknande planeter. Under ett teammöte, Bean och hans kollegor listade alla egenskaper hos en potentiellt beboelig exoplanet som de behöver mäta och hur de skulle gå till väga för att skaffa data. Med tanke på teknikens nuvarande tillstånd, Bean drog slutsatsen att det är osannolikt att forskare kommer att kunna bekräfta en individuell exoplanet som lämplig för livet eller om livet faktiskt finns där.

Ändå, astronomer har samlat en imponerande massa exoplanetära data från NASA:s Kepler rymdobservatorium, som har fungerat sedan 2009.

"Kepler förändrade spelet helt, "Bean sa." Istället för att prata om några planeter eller några tiotals planeter, helt plötsligt hade vi några tusen planetkandidater. De var planetkandidater eftersom Kepler inte definitivt kunde bevisa att signalen den såg berodde på planeter. "

Standardmetoden har varit att ta ytterligare observationer för varje kandidat för att utesluta möjliga falskt positiva scenarier, eller att upptäcka planeten med en andra teknik.

"Det går väldigt långsamt. En planet i taget, många olika observationer, "Bean noterade. Men ett alternativ är att göra statistiska beräkningar för sannolikheten för falska positiva bland dessa tusentals exoplanetkandidater. Det nya tillvägagångssättet ledde direkt till en god förståelse för frekvensen av exoplaneter av olika storlekar. Till exempel, forskare kan nu säga att frekvensen av superjord-planeter är 15 procent, plus minus 5 procent.

Spektroskopins roll

Spektroskopiska studier spelar en nyckelroll för att karakterisera exoplaneter. Detta innebär att man bestämmer sammansättningen av en planetarisk atmosfär genom att mäta dess spektra, den distinkta strålning som gaser absorberar vid sina egna specifika våglängder. Bean och hans medförfattare föreslår att man fokuserar på vad man kan lära sig av att mäta spektra för en stor ensemble av markbundna exoplaneter.

Spektroskopi kan, till exempel, hjälpa exoplanetära forskare att verifiera ett fenomen som kallas silikatväderåterkoppling, som fungerar som en planetarisk termostat. Genom silikatvittring, mängden atmosfärisk koldioxid varierar beroende på geologiska processer. Vulkaner avger koldioxid till atmosfären, men regn och kemiska reaktioner som uppstår i stenar och sediment tar också bort gasen från atmosfären.

Stigande temperaturer skulle sätta mer vattenånga i atmosfären, som sedan regnar ut, öka mängden upplöst koldioxid som kemiskt interagerar med stenarna. Denna förlust av koldioxid från atmosfären har en kylande effekt. Men när en planet börjar svalna, stenvittring saktar ner och mängden koldioxid bygger gradvis från sina vulkaniska källor, vilket orsakar stigande temperaturer.

Globala observationer tyder på att jorden har upplevt återkoppling av silikat-vittring. Men försök att verifiera att processen fungerar i dag i storleken på enskilda avrinningsområden har visat sig vara svårt.

"Resultaten är mycket bullriga. Det finns ingen tydlig signal, "Abbot sa." Det vore fantastiskt att ha ännu en oberoende bekräftelse från exoplaneter. "

Alla tre medförfattare är intresserade av att utarbeta detaljerna i experimenten som de föreslog i sin uppsats. Abbot planerar att beräkna hur mycket koldioxid som skulle vara nödvändigt för att hålla en planet beboelig vid en rad stjärnstrålningsintensiteter samtidigt som man ändrar olika planetparametrar. Han kommer också att bedöma hur väl ett framtida instrument skulle kunna mäta gasen.

"Sedan kommer vi att sätta ihop detta för att se hur många planeter vi skulle behöva observera för att upptäcka trenden som indikerar en silikat-vittringsåterkoppling, "Förklarade abbot.

Bean och Kempton, under tiden, är intresserade av att beskriva vilken statistisk folkräkning av biologiskt signifikanta gaser som syre, koldioxid och ozon kan avslöja om planetens livsmiljö.

"Jag skulle vilja få en bättre förståelse för hur några av nästa generations teleskop kommer att kunna skilja på statistiska trender som indikerar beboeliga-eller bebodda-planeter, "Sa Kempton.