När det kommer till sökandet efter utomjordiskt liv, forskare har en tendens att vara lite geocentriska – det vill säga de letar efter planeter som liknar vår egen. Detta är förståeligt, eftersom jorden är den enda planet vi känner till som stödjer liv. Som resultat, de som letar efter utomjordiskt liv har letat efter planeter som är jordnära (steniga) till sin natur, kretsar inom sina stjärnors beboeliga zoner, och har tillräckligt med vatten på sina ytor.

Under upptäckten av flera tusen exoplaneter, forskare har funnit att många faktiskt kan vara "vattenvärldar" (planeter där upp till 50 % av deras massa är vatten). Detta väcker naturligtvis några frågor, som hur mycket vatten är för mycket, och kan för mycket mark också vara ett problem? För att ta itu med dessa, ett par forskare från Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) genomförde en studie för att fastställa hur förhållandet mellan vatten och landmassor kan bidra till liv.

Studien – "Beroende av biologisk aktivitet på ytvattenfraktionen av planeter", som granskas för publicering med The Astronomical Journal – skrevs av Manasvi Lingam, en postdoktor vid CfA:s Institute for Theory and Computation (ITC), och Abraham Loeb – chefen för ITC och Frank B. Baird Jr. ordförande för vetenskap vid Harvard University.

Att börja, Lingam och Loeb tar upp frågan om den antropiska principen, som har spelat en stor roll inom astronomi och exoplanetforskning. Kortfattat, denna princip säger att om förhållandena på jorden är lämpliga att ta emot liv, då måste den finnas till för att skapa liv. Utsträckt till hela universum, denna princip hävdar att fysikens lagar existerar som de gör för att ge upphov till liv.

Ett annat sätt att se på det är att överväga hur våra bedömningar av jorden faller in i det som kallas "observationsselektionseffekter" – där resultaten direkt påverkas av vilken typ av metod som är involverad. I detta fall, effekterna härrör från det faktum att vårt sökande efter liv bortom jorden och vårt solsystem kräver att det finns en lämpligt placerad observatör.

I själva verket, vi tenderar att anta att förutsättningarna för liv kommer att vara rikliga i universum eftersom vi är bekanta med dem. Dessa förutsätter närvaron av både flytande vatten och landmassor, som var avgörande för uppkomsten av livet som vi känner det. Som Lingam förklarade för Universum Today via e-post, detta är ett av sätten som den antropiska principen kommer upp när man letar efter potentiellt beboeliga planeter:

"Det faktum att jordens land- och vattenfraktioner är jämförbara är ett tecken på antropiska urvalseffekter, det vill säga, uppkomsten av människor (eller liknande medvetna observatörer) kan ha underlättats av en lämplig blandning av land och vatten."

Dock, när man tar upp de många superjordarna som har upptäckts i andra stjärnsystem, statistiska analyser av deras medeldensitet har visat att majoriteten har höga fraktioner av flyktiga ämnen. Ett bra exempel på detta är TRAPPIST-1-systemet, där teoretisk modellering av dess sju planeter i jordstorlek har visat att de kan vara upp till 40-50 viktprocent vatten.

Dessa "vattenvärldar" skulle därför ha mycket djupa hav och inga landmassor att tala om, vilket kan få drastiska konsekvenser för livets uppkomst. På samma gång, planeter som har lite eller inget vatten på sina ytor anses inte vara bra kandidater för liv, med tanke på hur vatten är avgörande för livet som vi känner det.

"För mycket landmassa är ett problem, eftersom det begränsar mängden ytvatten, vilket gör de flesta av kontinenterna väldigt torra, ", sade Lingam. "Arida ekosystem kännetecknas typiskt av låga nivåer av biomassaproduktion på jorden. Istället, om man betraktar det motsatta scenariot (dvs mestadels hav), man stöter på ett potentiellt problem med tillgången på fosfor, vilket är en av de väsentliga delarna för livet-som-vi-vet-det. Därav, detta kan resultera i en flaskhals för mängden biomassa."

För att ta itu med dessa möjligheter, Lingam och Leob gick och analyserade hur planeter med för mycket vatten eller landmassa kunde påverka utvecklingen av exoplanetbiosfärer. Som Lingam förklarade:

"[Vi har utvecklat en enkel modell för att uppskatta vilken del av landet som kommer att vara torrt (dvs öknar) och relativt obeboeligt. För scenariot med vattendominerade biosfärer, Tillgången på fosfor blir den begränsande faktorn. Här, vi använde en modell som utvecklats i en av våra tidigare tidningar som tar hänsyn till fosforkällor och sänkor. Vi kombinerade dessa två fall, använde data från jorden som riktmärke, och därmed bestämt hur egenskaperna hos en generisk biosfär skulle bero på mängden mark och vatten."

Vad de fann var att en noggrann balans mellan landmassor och hav (ungefär som vad vi har här på jorden) är avgörande för uppkomsten av komplexa biosfärer. I kombination med numeriska simuleringar av andra forskare, Lingam och Loebs studie indikerar att planeter som jorden – med dess förhållande mellan hav och landmassa (ungefär 30:70) – förmodligen är ganska sällsynta. Som Lingam sammanfattade:

"Således, den grundläggande slutsatsen är att balansen mellan land- och vattenfraktioner inte kan lutas för mycket på ett eller annat sätt. Vårt arbete visar också att viktiga evolutionära händelser, såsom ökningen av syrehalterna och uppkomsten av tekniska arter, kan påverkas av landvattenfraktionen, och att det optimala värdet kan vara nära jordens."

För en tid, astronomer har letat efter exoplaneter där jordliknande förhållanden är vanliga. Detta är känt som metoden "lågt hängande frukt", där vi försöker hitta liv genom att leta efter biosignaturer som vi associerar med livet som vi känner det. Men enligt denna senaste studie, att hitta sådana platser kan vara som att leta efter diamanter i roughen.

Studiens slutsatser kan också ha betydande implikationer när det kommer till sökandet efter utomjordisk intelligens, vilket tyder på att det också är ganska ovanligt. Lyckligtvis, Lingam och Loeb erkänner att det inte är tillräckligt känt om exoplaneter och deras förhållande mellan vatten och landmassa för att säga något definitivt.

"Det är inte möjligt, dock, att förutsäga hur detta påverkar SETI på ett definitivt sätt, ", sa Lingam. "Detta beror på att vi ännu inte har ordentliga observationsbegränsningar på landvattenfraktioner av exoplaneter, och det finns fortfarande många okända i vår nuvarande kunskap om hur tekniska arter (som kan delta i SETI) utvecklats."

I slutet, vi måste ha tålamod och vänta på att astronomer ska lära sig mer om planeter utanför solen och deras respektive miljöer. Detta kommer att vara möjligt under de kommande åren tack vare nästa generations teleskop. Dessa inkluderar markbaserade teleskop som ESO:s Extremely Large Telescope (ELT) och rymdbaserade teleskop som James Webb Space Telescope (JWST) – som är planerade att inleda sin verksamhet 2024 och 2021, respektive.

Med förbättringar i teknik och tusentals exoplaneter som nu är tillgängliga för studier, astronomer har börjat gå från upptäcktsprocessen till karakterisering. Under de kommande åren, vad vi lär oss om exoplanetatmosfärer kommer att räcka långt för att bevisa eller motbevisa våra teoretiska modeller, förhoppningar och förväntningar. Given tid, vi kanske äntligen kan avgöra hur mycket liv det är i vårt universum, och vilka former det kan ta.