Bild av stjärnljus på exoplanet, med tillstånd av NASA/JPL-Caltech.
Finns det liv bortom jorden i kosmos? Astronomer som letar efter tecken har funnit att vår Vintergatans galax vimlar av exoplaneter, några med förhållanden som kan vara rätt för utomjordiskt liv. Sådana världar kretsar runt stjärnor i så kallade "boliga zoner, "regioner där planeter kan hålla flytande vatten som är nödvändigt för liv som vi känner det.
Dock, frågan om beboelighet är mycket komplex. Forskare under ledning av rymdfysikern Chuanfei Dong från det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Princeton University har nyligen uttryckt tvivel om vatten på – och därmed potentiell beboelighet av – ofta citerade exoplaneter som kretsar kring röda dvärgar, de vanligaste stjärnorna i Vintergatan.
Stjärnvindens inverkan
I två tidningar i The Astrofysiska tidskriftsbrev , forskarna utvecklar modeller som visar att stjärnvinden – det ständiga utflödet av laddade partiklar som sveper ut i rymden – kan allvarligt utarma atmosfären på sådana planeter under hundratals miljoner år, vilket gör dem oförmögna att vara värd för ytbaserat liv som vi känner det.
"Traditionella definitioner och klimatmodeller av den beboeliga zonen tar endast hänsyn till yttemperaturen, "Dong sa. "Men stjärnvinden kan avsevärt bidra till den långsiktiga erosion och atmosfärisk förlust av många exoplaneter, så klimatmodellerna berättar bara en del av historien."
För att bredda bilden, den första artikeln tittar på tidsskalan för atmosfärisk retention på Proxima Centauri b (PCb), som kretsar kring den stjärna som är närmast vårt solsystem, ca 4 ljusår bort. Den andra uppsatsen ifrågasätter hur länge hav kan överleva på "vattenvärldar" - planeter som tros ha hav som kan vara hundratals miles djupa.
Tvåfaldig effekt
Forskningen simulerar den fotokemiska påverkan av stjärnljus och den elektromagnetiska erosionen av stjärnvindar på exoplaneternas atmosfär. Dessa effekter är tvåfaldiga:fotonerna i stjärnljus joniserar atomerna och molekylerna i atmosfären till laddade partiklar, tillåter tryck och elektromagnetiska krafter från stjärnvinden att svepa in dem i rymden. Denna process kan orsaka allvarliga atmosfäriska förluster som skulle hindra vattnet som avdunstar från exoplaneter från att regna tillbaka på dem, lämnar planetens yta för att torka upp.
På Proxima Centauri b, modellen indikerar att högt stjärnvindtryck skulle få atmosfären att fly och förhindra att atmosfären varar tillräckligt länge för att ge upphov till ytbaserat liv som vi känner det. "Livets utveckling tar miljarder år, "Dong noterade. "Våra resultat indikerar att PCb och liknande exoplaneter i allmänhet inte är kapabla att stödja en atmosfär över tillräckligt långa tidsskalor när stjärnvindtrycket är högt."
"Det är bara om trycket är tillräckligt lågt, " han sa, "och om exoplaneten har en ganska stark magnetisk sköld som den i jordens magnetosfär, att exoplaneten kan behålla en atmosfär och har potential för beboelighet."
Utveckling av beboelig zon
Det komplicerade är det faktum att den beboeliga zonen som cirkulerar röda stjärnor kan utvecklas över tiden. Så högt stjärnvindstryck tidigt kan öka hastigheten för atmosfärisk flykt. Således, atmosfären kunde ha eroderats för tidigt, även om exoplaneten var skyddad av ett starkt magnetfält som magnetosfären som omger jorden, sa Dong. "Dessutom, sådana närliggande planeter kan också vara tidvattenlåsta som vår måne, med en sida alltid exponerad för stjärnan. Det resulterande svaga globala magnetfältet och det ständiga bombardementet av stjärnvind skulle tjäna till att intensifiera förlusterna av atmosfären på den sida som vänder mot stjärnan."
Att vända sig till vattenvärldar, forskarna undersökte tre olika förhållanden för stjärnvinden. Dessa sträckte sig från:
Simuleringarna illustrerade att forntida stjärnvind kunde göra att hastigheten för atmosfärisk utrymning är mycket större än förlusterna som produceras av den nuvarande solvinden som når jordens magnetosfär. Dessutom, graden av förlust för händelser av Carrington-typ, som tros förekomma ofta i unga solliknande stjärnor, visade sig vara ännu större.
"Vår analys tyder på att sådana rymdväderhändelser kan visa sig vara en viktig drivkraft för atmosfäriska förluster för exoplaneter som kretsar kring en aktiv ung solliknande stjärna, " skriver författarna.
Hög sannolikhet för uttorkade hav
Med tanke på den ökade aktiviteten hos röda stjärnor och planeternas närliggande placering i beboeliga zoner, dessa resultat indikerar den höga sannolikheten för uttorkade ytor på planeter som kretsar kring röda stjärnor som en gång kan ha innehaft hav som kunde föda liv. Fynden kan också ändra den berömda Drake-ekvationen, som uppskattar antalet civilisationer i Vintergatan, genom att sänka uppskattningen för det genomsnittliga antalet planeter per stjärna som kan försörja liv.
Författare till PCb-tidningen noterar att att förutsäga beboeligheten hos planeter som ligger ljusår från jorden naturligtvis är fylld med osäkerheter. Framtida uppdrag som James Webb Space Telescope, som NASA kommer att lansera 2019 för att titta in i universums tidiga historia, kommer därför att "vara väsentligt för att få mer information om stjärnvindar och exoplanetatmosfärer, " säger författarna, "och banar därmed väg för mer exakta uppskattningar av stjärnvindsinducerade atmosfäriska förluster."
Forskare upptäcker potentiellt beboeliga världar med regelbundenhet. Nyligen, en nyupptäckt planet i jordstorlek som kretsar kring Ross 128, en röd dvärgstjärna som är mindre och svalare än solen som ligger cirka 11 ljusår från jorden, citerades som vattenkandidat. Forskare noterade att stjärnan verkar vara lugn och väluppfostrad, att inte kasta av sig bloss och utbrott som kan göra att förhållanden som är gynnsamma för livet omintetgörs.
Fysiker från Harvard University samarbetade med Dong på PCb-papperet, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, University of California, Los Angeles, och University of Massachusetts.
