För att söka efter liv i yttre rymden, astronomer måste först veta var de ska leta. En ny studie från Northwestern University kommer att hjälpa astronomer att begränsa sökningen.

Forskarlaget är det första som kombinerar 3D-klimatmodellering med atmosfärisk kemi för att utforska planeternas beboelighet runt M dvärgstjärnor, som utgör cirka 70 % av den totala galaktiska befolkningen. Med hjälp av detta verktyg, forskarna har omdefinierat de förhållanden som gör en planet beboelig genom att ta hänsyn till stjärnans strålning och planetens rotationshastighet.

Bland dess fynd, det nordvästra laget, i samarbete med forskare vid University of Colorado Boulder, NASA:s Virtual Planet Laboratory och Massachusetts Institute of Technology, upptäckte att bara planeter som kretsar kring aktiva stjärnor - de som avger mycket ultraviolett (UV) strålning - förlorar betydande vatten till förångning. Planeter runt inaktiva, eller tyst, stjärnor är mer benägna att behålla livsuppehållande flytande vatten.

Forskarna fann också att planeter med tunna ozonlager, som har annars beboeliga yttemperaturer, få farliga nivåer av UV-doser, vilket gör dem farliga för komplex ytlivslängd.

"Under större delen av mänsklighetens historia, frågan om huruvida liv existerar någon annanstans har bara hört hemma inom det filosofiska området, " sa Northwesterns Howard Chen, studiens första författare. "Det är först på senare år som vi har haft modelleringsverktygen och observationstekniken för att ta itu med den här frågan."

"Fortfarande, det finns många stjärnor och planeter där ute, vilket betyder att det finns många mål, " tillade Daniel Horton, senior författare till studien. "Vår studie kan hjälpa till att begränsa antalet platser vi har att rikta våra teleskop."

Forskningen kommer att publiceras online den 14 november i Astrofysisk tidskrift .

Horton är biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Chen är en Ph.D. kandidat i Northwesterns Climate Change Research Group och en framtida utredare från NASA.

"Goldilocks-zonen"

För att upprätthålla ett komplext liv, planeter måste kunna upprätthålla flytande vatten. Om en planet är för nära sin stjärna, då kommer vattnet att förångas helt. Om en planet är för långt från sin stjärna, då fryser vattnet, och växthuseffekten kommer inte att kunna hålla ytan tillräckligt varm för livet. Detta Goldilocks-område kallas den "cirkumstellära beboeliga zonen, " en term som myntats av professor James Kasting vid Penn State University.

Forskare har arbetat med att ta reda på hur nära det är för nära för en planet att upprätthålla flytande vatten. Med andra ord, de letar efter den beboeliga zonens "inre kant".

"Den inre kanten av vårt solsystem är mellan Venus och jorden, Chen förklarade. "Venus är inte beboelig; Jorden är."

Horton och Chen tittar bortom vårt solsystem för att lokalisera de beboeliga zonerna inom M dvärgstjärnsystem. Eftersom de är många och lättare att hitta och undersöka, M dvärgplaneter har dykt upp som föregångare i jakten på beboeliga planeter. De får sitt namn från de små, Häftigt, mörka stjärnor som de kretsar kring, kallas M-dvärgar eller "röda dvärgar".

Avgörande kemi

Andra forskare har karakteriserat atmosfären hos M dvärgplaneter genom att använda både 1D och 3D globala klimatmodeller. Dessa modeller används också på jorden för att bättre förstå klimat och klimatförändringar. Tidigare 3D-studier av steniga exoplaneter, dock, har missat något viktigt:kemi.

Genom att koppla 3D klimatmodellering med fotokemi och atmosfärisk kemi, Horton och Chen konstruerade en mer komplett bild av hur en stjärnas UV-strålning interagerar med gaser, inklusive vattenånga och ozon, i planetens atmosfär.

I deras simuleringar, Horton och Chen fann att en stjärnas strålning spelar en avgörande faktor för huruvida en planet är beboelig eller inte. Specifikt, de upptäckte att planeter som kretsar kring aktiva stjärnor är sårbara för att förlora betydande mängder vatten på grund av förångning. Detta står i skarp kontrast till tidigare forskning med klimatmodeller utan aktiv fotokemi.

Teamet fann också att många planeter i den cirkumstellära beboeliga zonen inte kunde upprätthålla liv på grund av deras tunna ozonskikt. Trots att de annars har beboeliga yttemperaturer, dessa planeters ozonskikt tillåter för mycket UV-strålning att passera igenom och tränga ner till marken. Nivån av strålning skulle vara farlig för ytlivslängden.

"3D-fotokemi spelar en enorm roll eftersom den ger uppvärmning eller kylning, som kan påverka termodynamiken och kanske atmosfärens sammansättning av ett planetsystem, ", sade Chen. "Denna sorts modeller har egentligen inte använts alls i exoplanetlitteraturen som studerar steniga planeter eftersom de är så beräkningsmässigt dyra. Andra fotokemiska modeller som studerar mycket större planeter, som gasjättar och heta Jupiters, visar redan att man inte kan försumma kemin när man undersöker klimatet."

"Det har också varit svårt att anpassa dessa modeller eftersom de ursprungligen designades för jordbaserade förhållanden, "Sade Horton. "Att ändra gränsvillkoren och fortfarande få modellerna att köra framgångsrikt har varit utmanande."

'Är vi ensamma?'

Horton och Chen tror att denna information kommer att hjälpa observationsastronomer i jakten på liv någon annanstans. Instrument, såsom rymdteleskopet Hubble och rymdteleskopet James Webb, har förmågan att upptäcka vattenånga och ozon på exoplaneter. De behöver bara veta var de ska leta.

"'Är vi ensamma?' är en av de största obesvarade frågorna, " sa Chen. "Om vi ​​kan förutsäga vilka planeter som mest sannolikt kommer att vara värd för liv, då kan vi komma så mycket närmare att svara på det inom våra liv."