I en generisk tegelbyggnad på den nordvästra kanten av NASA:s Goddard Space Flight Center-campus i Greenbelt, Maryland, tusentals datorer packade i ställ lika stora som varuautomater surrar i en öronbedövande kör av dataknasande. Dag och natt, de spottar ut 7 kvadriljoner beräkningar per sekund. Dessa maskiner är tillsammans kända som NASA:s Discover superdator och de har i uppdrag att köra sofistikerade klimatmodeller för att förutsäga jordens framtida klimat.

Men nu, de lurar också på något mycket längre bort:om någon av de fler än 4, 000 konstigt konstiga planeter bortom vårt solsystem som upptäckts under de senaste två decennierna skulle kunna försörja liv.

Forskare finner att svaret inte bara är ja, men att det är ja under en rad överraskande förhållanden jämfört med jorden. Denna uppenbarelse har fått många av dem att brottas med en fråga som är avgörande för NASA:s sökande efter liv bortom jorden. Är det möjligt att våra föreställningar om vad som gör en planet lämplig för liv är för begränsande?

Nästa generation av kraftfulla teleskop och rymdobservatorier kommer säkert att ge oss fler ledtrådar. Dessa instrument kommer att tillåta forskare för första gången att analysera atmosfären på de mest lockande planeterna där ute:steniga, som jorden, som kan ha en viktig ingrediens för livet - flytande vatten - som flödar på deras ytor.

För närvarande, det är svårt att undersöka avlägsna atmosfärer. Skickar en rymdfarkost till den närmaste planeten utanför vårt solsystem, eller exoplanet, skulle ta 75, 000 år med dagens teknik. Även med kraftfulla teleskop är exoplaneter i närheten praktiskt taget omöjliga att studera i detalj. Problemet är att de är för små och för drunknade i ljuset från sina stjärnor för att forskare ska kunna se de svaga ljussignaturerna de reflekterar – signaturer som kan avslöja livets kemi på ytan.

Med andra ord, upptäcka ingredienserna i atmosfärerna runt dessa fantomplaneter, som många forskare vill påpeka, är som att stå i Washington, D.C., och försöker skymta en eldfluga bredvid en strålkastare i Los Angeles. Denna verklighet gör klimatmodeller avgörande för prospektering, sa chefsexoplanetforskaren Karl Stapelfeldt, som är baserad på NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien.

"Modellerna gör specifika, testbara förutsägelser om vad vi bör se, ", sa han. "Dessa är mycket viktiga för att designa våra framtida teleskop och observera strategier."

Är solsystemet en bra förebild?

Genom att skanna kosmos med stora markbaserade teleskop och rymdteleskop, astronomer har upptäckt ett eklektiskt sortiment av världar som verkar hämtade från fantasin.

"Under en lång tid, forskare var verkligen fokuserade på att hitta sol- och jordliknande system. Det var allt vi visste, sa Elisa Quintana, en NASA Goddard-astrofysiker som ledde upptäckten 2014 av planeten Kepler-186f i en jordstorlek. "Men vi fick reda på att det finns hela den här galna mångfalden i planeter. Vi hittade planeter lika små som månen. Vi hittade jätteplaneter. Och vi hittade några som kretsar kring små stjärnor, jättestjärnor och flera stjärnor."

Verkligen, de flesta av planeterna som upptäckts av NASA:s rymdteleskop Kepler och den nya Transiting Exoplanet Survey Satellite, såväl som markbaserade observationer, finns inte i vårt solsystem. De faller mellan storleken på en jordisk jord och en gasformig Uranus, som är fyra gånger större än denna planet.

Planeter närmast jorden i storlek, och mest troligt i teorin ha beboeliga förhållanden, har hittills bara hittats runt "röda dvärg"-stjärnor, som utgör en stor majoritet av stjärnorna i galaxen. Men det är troligtvis för att röda dvärgar är mindre och svagare än solen, så signalen från planeter som kretsar kring dem är lättare för teleskop att upptäcka.

Eftersom röda dvärgar är små, planeter måste gå obehagligt nära – närmare än Merkurius är solen – för att förbli gravitationsmässigt fästa vid dem. Och eftersom röda dvärgar är coola, jämfört med alla andra stjärnor, planeter måste vara närmare dem för att dra tillräckligt med värme för att flytande vatten ska kunna samlas på deras ytor.

Bland de mest lockande nya upptäckterna i röda dvärgsystem är planeter som Proxima Centauri b, eller helt enkelt Proxima b. Det är den närmaste exoplaneten. Det finns också sju steniga planeter i det närliggande systemet TRAPPIST-1. Huruvida dessa planeter skulle kunna upprätthålla liv är fortfarande en fråga om debatt. Forskare påpekar att röda dvärgar kan spy ut upp till 500 gånger mer skadlig ultraviolett och röntgenstrålning på sina planeter än vad solen skjuter ut i solsystemet. Ytligt sett, denna miljö skulle strippa atmosfärer, avdunsta hav och stek DNA på vilken planet som helst nära en röd dvärg.

Än, kanske inte. Jordens klimatmodeller visar att steniga exoplaneter runt röda dvärgar kan vara beboeliga trots strålningen.

Magien är i molnen

Anthony Del Genio är en nyligen pensionerad planetarisk klimatforskare från NASA:s Goddard Institute for Space Studies i New York City. Under sin karriär simulerade han klimatet på jorden och andra planeter, inklusive Proxima b.

Del Genios team simulerade nyligen möjliga klimat på Proxima b för att testa hur många som skulle lämna det varmt och tillräckligt blött för att vara värd för livet. Den här typen av modelleringsarbete hjälper NASA-forskare att identifiera en handfull lovande planeter som är värda en mer rigorös studie med NASA:s kommande rymdteleskop James Webb.

"Medan vårt arbete inte kan berätta för observatörer om någon planet är beboelig eller inte, vi kan tala om för dem om en planet ligger i mellanklassen av goda kandidater för att söka vidare, sa Del Genio.

Proxima b kretsar kring Proxima Centauri i ett trestjärnigt system som ligger bara 4,2 ljusår från solen. Förutom det, forskarna vet inte mycket om det. De tror att det är stenigt, baserat på dess uppskattade massa, som är något större än jordens. Forskare kan sluta sig till massa genom att se hur mycket Proxima b drar i sin stjärna när den kretsar runt den.

Problemet med Proxima b är att den är 20 gånger närmare sin stjärna än jorden är solen. Därför, det tar bara 11,2 dagar för planeten att göra en bana (Jorden tar 365 dagar att kretsa runt solen en gång). Fysiken säger till forskare att detta mysiga arrangemang skulle kunna lämna Proxima b gravitationellt låst till sin stjärna, som att månen är gravitationsmässigt låst till jorden. Om sant, ena sidan av Proxima b är vänd mot stjärnans intensiva strålning medan den andra fryser i rymdens mörker i ett planetariskt recept som inte bådar gott för livet på någon sida.

Men Del Genios simuleringar visar att Proxima b, eller någon planet med liknande egenskaper, kunde vara beboelig trots krafterna som konspirerade mot det. "Och molnen och haven spelar en grundläggande roll i det, sa Del Genio.

Del Genios team uppgraderade en jordklimatmodell som först utvecklades på 1970-talet för att skapa en planetsimulator som heter ROCKE-3-D. Huruvida Proxima b har en atmosfär är en öppen och kritisk fråga som förhoppningsvis kommer att avgöras av framtida teleskop. Men Del Genios team antog att det gör det.

Med varje simulering varierade Del Genios team typer och mängder av växthusgaser i Proxima b:s luft. De ändrade också djupet, storlek, och salthalten i dess hav och justerade förhållandet mellan land och vatten för att se hur dessa justeringar skulle påverka planetens klimat.

Modeller som ROCKE-3-D börjar med bara korn av grundläggande information om en exoplanet:dess storlek, massa, och avstånd från dess stjärna. Forskare kan sluta sig till dessa saker genom att se ljuset från ett stjärndopp när en planet korsar framför den, eller genom att mäta gravitationsdragningen i en stjärna när en planet cirklar runt den.

Dessa knappa fysiska detaljer informerar om ekvationer som omfattar upp till en miljon rader datorkod som behövs för att bygga de mest sofistikerade klimatmodellerna. Koden instruerar en dator som NASA:s Discover superdator att använda etablerade naturregler för att simulera globala klimatsystem. Bland många andra faktorer, klimatmodeller tar hänsyn till hur moln och hav cirkulerar och interagerar och hur strålning från en sol interagerar med en planets atmosfär och yta.

När Del Genios team körde ROCKE-3-D på Discover såg de att Proxima b:s hypotetiska moln fungerade som ett massivt paraply genom att avleda strålning. Detta kan sänka temperaturen på Proxima b:s solvända sida från för varmt till varmt.

Andra forskare har funnit att Proxima b kunde bilda moln så massiva att de skulle utplåna hela himlen om man tittade upp från ytan.

"Om en planet är gravitationslåst och roterar långsamt runt sin axel bildas en cirkel av moln framför stjärnan, pekar alltid mot det. Detta beror på en kraft som kallas Coriolis-effekten, som orsakar konvektion på den plats där stjärnan värmer atmosfären, sa Ravi Kopparapu, en planetforskare från NASA Goddard som också modellerar exoplaneternas potentiella klimat. "Vår modellering visar att Proxima b kunde se ut så här."

Förutom att göra Proxima b:s dagsida mer tempererad än förväntat, en kombination av atmosfär och havscirkulation skulle flytta varm luft och vatten runt planeten, och transporterar därmed värme till den kalla sidan. "Så du inte bara håller atmosfären på nattsidan från att frysa ut, du skapar delar på nattsidan som faktiskt håller flytande vatten på ytan, även om de delarna inte ser något ljus, sa Del Genio.

Att ta en ny titt på en gammal förebild

Atmosfärer är höljen av molekyler runt planeter. Förutom att hjälpa till att upprätthålla och cirkulera värme, atmosfärer distribuerar gaser som ger näring till liv eller produceras av det.

Dessa gaser är de så kallade "biosignaturerna" som forskare kommer att leta efter i exoplaneternas atmosfär. Men exakt vad de ska leta efter är ännu oklart.

Jordens är det enda bevis som forskare har på kemin i en livsuppehållande atmosfär. Än, de måste vara försiktiga när de använder jordens kemi som modell för resten av galaxen. Simuleringar från Goddards planetforskare Giada Arney, till exempel, visa att till och med något så enkelt som syre – det avgörande tecknet på växtliv och fotosyntes på den moderna jorden – skulle kunna utgöra en fälla.

Arneys arbete lyfter fram något intressant. Hade främmande civilisationer riktat sina teleskop mot jorden för miljarder år sedan i hopp om att hitta en blå planet som simmar i syre, de skulle ha blivit besvikna; kanske skulle de ha vänt sina teleskop mot en annan värld. Men istället för syre, metan kunde ha varit den bästa biosignaturen att leta efter för 3,8 till 2,5 miljarder år sedan. Denna molekyl producerades i överflöd då, troligen genom att mikroorganismerna tyst blomstrar i haven.

"Det som är intressant med den här fasen av jordens historia är att den var så främmande jämfört med den moderna jorden, " sa Arney. "Det fanns inget syre ännu, så det var inte ens en blekblå prick. Det var en blek orange prick, " Hon sa, hänvisar till den orangea dis som produceras av metansmoggen som kan ha höljt den tidiga jorden.

Fynd som denna, Arney sa, "har vidgat vårt tänkande om vad som är möjligt bland exoplaneter, " att hjälpa till att utöka listan över biosignaturer som planetforskare kommer att leta efter i avlägsna atmosfärer.

Bygga en plan för atmosfärjägare

Medan lärdomarna från planetariska klimatmodeller är teoretiska – vilket betyder att forskare inte har haft möjlighet att testa dem i den verkliga världen – erbjuder de en plan för framtida observationer.

Ett stort mål med att simulera klimat är att identifiera de mest lovande planeterna att vända sig till med Webb-teleskopet och andra uppdrag så att forskare kan använda begränsad och dyr teleskoptid mest effektivt. Dessutom, dessa simuleringar hjälper forskare att skapa en katalog över potentiella kemiska signaturer som de en dag kommer att upptäcka. Att ha en sådan databas att dra från kommer att hjälpa dem att snabbt avgöra vilken typ av planet de tittar på och bestämma om de ska fortsätta sondera eller vända sina teleskop någon annanstans.

Att upptäcka liv på avlägsna planeter är en chansning, Del Genio noterade:"Så om vi vill observera mest klokt, vi måste ta emot rekommendationer från klimatmodeller, eftersom det bara ökar oddsen."