Ny NASA-forskning hjälper till att förfina vår förståelse av kandidatplaneter bortom vårt solsystem som kan stödja liv.

"Att använda en modell som mer realistiskt simulerar atmosfäriska förhållanden, vi upptäckte en ny process som styr exoplaneternas beboelighet och kommer att vägleda oss i att identifiera kandidater för vidare studier, " sa Yuka Fujii från NASA:s Goddard Institute for Space Studies (GISS), New York, New York och Earth-Life Science Institute vid Tokyo Institute of Technology, Japan, huvudförfattare till en artikel om forskningen publicerad i Astrofysisk tidskrift 17 okt.

Tidigare modeller simulerade atmosfäriska förhållanden längs en dimension, vertikalen. Liksom vissa andra nyligen genomförda studier av boende, den nya forskningen använde en modell som beräknar förhållanden i alla tre dimensioner, tillåta teamet att simulera atmosfärens cirkulation och de speciella egenskaperna hos den cirkulationen, vilket endimensionella modeller inte kan göra. Det nya arbetet kommer att hjälpa astronomer att tilldela knapp observationstid till de mest lovande kandidaterna för beboelighet.

Flytande vatten är nödvändigt för livet som vi känner det, så ytan på en främmande värld (t.ex. en exoplanet) anses potentiellt beboelig om dess temperatur tillåter flytande vatten att vara närvarande under tillräckligt lång tid (miljarder år) för att livet ska kunna frodas. Om exoplaneten är för långt från sin moderstjärna, det blir för kallt, och dess hav kommer att frysa. Om exoplaneten är för nära, ljuset från stjärnan kommer att vara för intensivt, och dess hav kommer så småningom att avdunsta och gå förlorade till rymden. Detta händer när vattenånga stiger till ett lager i den övre atmosfären som kallas stratosfären och bryts in i dess elementära komponenter (väte och syre) av ultraviolett ljus från stjärnan. De extremt lätta väteatomerna kan då fly till rymden. Planeter som håller på att förlora sina hav på detta sätt sägs ha gått in i ett "fuktigt växthus"-tillstånd på grund av sina fuktiga stratosfärer.

För att vattenånga ska kunna stiga till stratosfären, Tidigare modeller förutspådde att långsiktiga yttemperaturer måste vara högre än någonting som upplevts på jorden - över 150 grader Fahrenheit (66 grader Celsius). Dessa temperaturer skulle driva intensiva konvektiva stormar; dock, det visar sig att dessa stormar inte är anledningen till att vatten når stratosfären för att långsamt roterande planeter går in i ett fuktigt växthustillstånd.

"Vi fann en viktig roll för den typ av strålning en stjärna avger och den effekt den har på den atmosfäriska cirkulationen av en exoplanet när det gäller att göra det fuktiga växthustillståndet, " sa Fujii. För exoplaneter som kretsar nära sina moderstjärnor, en stjärnas gravitation kommer att vara tillräckligt stark för att bromsa en planets rotation. Detta kan göra att den blir tidvattenlåst, med en sida alltid vänd mot stjärnan - ger den evig dag - och en sida vänd alltid bort - ger den evig natt.

När detta händer, tjocka moln bildas på planetens dagsida och fungerar som ett parasoll för att skydda ytan från mycket av stjärnljuset. Även om detta kan hålla planeten sval och förhindra att vattenånga stiger upp, teamet fann att mängden nära-infraröd strålning (NIR) från en stjärna kan ge den värme som behövs för att få en planet att gå in i det fuktiga växthustillståndet. NIR är en typ av ljus som är osynligt för det mänskliga ögat. Vatten som ånga i luft och vattendroppar eller iskristaller i moln absorberar kraftigt NIR-ljus, värma luften. När luften värms, den stiger, för vattnet upp i stratosfären där det skapar det fuktiga växthuset.

Denna process är särskilt relevant för planeter runt lågmassastjärnor som är kallare och mycket svagare än solen. Att vara beboelig, planeter måste vara mycket närmare dessa stjärnor än vår jord är solen. På så nära håll, dessa planeter upplever sannolikt starka tidvatten från sin stjärna, få dem att rotera långsamt. Också, ju coolare en stjärna är, ju mer NIR den avger. Den nya modellen visade att eftersom dessa stjärnor sänder ut huvuddelen av sitt ljus vid NIR-våglängder, ett fuktigt växthustillstånd kommer att resultera även i förhållanden som är jämförbara med eller något varmare än jordens troper. För exoplaneter närmare sina stjärnor, teamet fann att den NIR-drivna processen ökade fukten i stratosfären gradvis. Så, det är möjligt, i motsats till gamla modellers förutsägelser, att en exoplanet närmare sin moderstjärna skulle kunna förbli beboelig.

Detta är en viktig observation för astronomer som söker efter beboeliga världar, eftersom lågmassastjärnor är de vanligaste i galaxen. Deras stora antal ökar oddsen för att en beboelig värld kan hittas bland dem, och deras ringa storlek ökar chansen att upptäcka planetariska signaler.

Det nya arbetet kommer att hjälpa astronomer att undersöka de mest lovande kandidaterna i sökandet efter planeter som kan försörja liv. "Så länge vi vet temperaturen på stjärnan, vi kan uppskatta om planeter nära sina stjärnor har potential att vara i det fuktiga växthustillståndet, " sa Anthony Del Genio på GISS, en medförfattare till tidningen. "Nuvarande teknik kommer att pressas till det yttersta för att upptäcka små mängder vattenånga i en exoplanets atmosfär. Om det finns tillräckligt med vatten för att upptäcka, det betyder förmodligen att planeten är i det fuktiga växthustillståndet."

I den här studien, forskare antog en planet med en atmosfär som jorden, but entirely covered by oceans. These assumptions allowed the team to clearly see how changing the orbital distance and type of stellar radiation affected the amount of water vapor in the stratosphere. I framtiden, the team plans to vary planetary characteristics such as gravity, storlek, atmosfärisk sammansättning, and surface pressure to see how they affect water vapor circulation and habitability.