Många år sedan, planetforskaren Lynnae Quick började undra om någon av de fler än 4, 000 kända exoplaneter, eller planeter bortom vårt solsystem, kan likna några av de vattniga månarna runt Jupiter och Saturnus. Även om vissa av dessa månar inte har atmosfär och är täckta av is, de är fortfarande bland de främsta målen i NASA:s sökande efter liv bortom jorden. Saturnus måne Enceladus och Jupiters måne Europa, som forskare klassificerar som "havsvärldar, "är bra exempel.

"Vattenplymer bryter ut från Europa och Enceladus, så vi kan säga att dessa kroppar har hav under ytan under sina isskal, och de har energi som driver plymer, som är två krav för livet som vi känner det, säger Quick, en planetforskare från NASA som är specialiserad på vulkanism och havsvärldar. "Så om vi tänker på dessa platser som möjligen beboeliga, kanske större versioner av dem i andra planetsystem är beboeliga också."

Snabbt, av NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, bestämde sig för att undersöka om - hypotetiskt - det finns planeter som liknar Europa och Enceladus i Vintergatans galax. Och, kunde de, för, vara tillräckligt geologiskt aktiva för att skjuta plymer genom deras ytor som en dag skulle kunna upptäckas av teleskop.

Genom en matematisk analys av flera dussin exoplaneter, inklusive planeter i det närliggande TRAPPIST-1-systemet, Quick och hennes kollegor lärde sig något viktigt:Mer än en fjärdedel av exoplaneterna de studerade kunde vara havsvärldar, med en majoritet som möjligen hyser hav under lager av ytis, liknande Europa och Enceladus. Dessutom, många av dessa planeter kan släppa ut mer energi än Europa och Enceladus.

Forskare kanske en dag kan testa Quicks förutsägelser genom att mäta värmen som sänds ut från en exoplanet eller genom att detektera vulkaniska eller kryovulkaniska (vätska eller ånga istället för smält sten) utbrott i våglängderna av ljus som emitteras av molekyler i en planets atmosfär. Tills vidare, forskare kan inte se många exoplaneter i någon detalj. Ack, de är för långt borta och för drunknade av sina stjärnors ljus. Men genom att överväga den enda information som finns tillgänglig - exoplanetstorlekar, massor och avstånd från sina stjärnor – forskare som Quick och hennes kollegor kan utnyttja matematiska modeller och vår förståelse av solsystemet för att försöka föreställa sig de förhållanden som kan forma exoplaneter till levande världar eller inte.

Medan antagandena som går in i dessa matematiska modeller är välutbildade gissningar, de kan hjälpa forskare att begränsa listan över lovande exoplaneter för att söka efter förhållanden som är gynnsamma för livet så att NASA:s kommande rymdteleskop James Webb eller andra rymduppdrag kan följa upp.

"Framtida uppdrag för att leta efter tecken på liv bortom solsystemet är fokuserade på planeter som vår som har en global biosfär som är så riklig att den förändrar kemin i hela atmosfären, säger Aki Roberge, en NASA Goddard-astrofysiker som samarbetade med Quick i denna analys. "Men i solsystemet, isiga månar med hav, som är långt från solens hetta, har fortfarande visat att de har de egenskaper vi tror krävs för livet."

För att leta efter möjliga havsvärldar, Quicks team valde ut 53 exoplaneter med storlekar som mest liknar jorden, även om de kunde ha upp till åtta gånger mer massa. Forskare antar att planeter av denna storlek är mer solida än gasformiga och, Således, mer benägna att stödja flytande vatten på eller under deras ytor. Minst 30 fler planeter som passar dessa parametrar har upptäckts sedan Quick och hennes kollegor började sin studie 2017, men de ingick inte i analysen, som publicerades den 18 juni i tidskriften Publikationer från Astronomical Society of the Pacific .

Med deras planeter i jordstorlek identifierade, Quick och hennes team försökte avgöra hur mycket energi var och en kunde generera och avge som värme. Teamet övervägde två primära värmekällor. Den första, radiogen värme, genereras under miljarder år av det långsamma sönderfallet av radioaktiva material i en planets mantel och skorpa. Den sönderfallshastigheten beror på en planets ålder och massan på dess mantel. Andra forskare hade redan bestämt dessa samband för planeter i jordstorlek. Så, Quick och hennes team tillämpade sönderfallshastigheten på sin lista med 53 planeter, antar att var och en är i samma ålder som sin stjärna och att dess mantel tar upp samma andel av planetens volym som jordens mantel gör.

Nästa, forskarna beräknade värme som produceras av något annat:tidvattenkraft, vilket är energi som genereras från gravitationsdragningen när ett föremål kretsar runt ett annat. Planeter sträcker sig ut, eller elliptisk, banor förskjuter avståndet mellan sig själva och deras stjärnor när de cirklar runt dem. Detta leder till förändringar i gravitationskraften mellan de två objekten och gör att planeten sträcker sig, och genererar därmed värme. Så småningom, värmen går förlorad till rymden genom ytan.

En utgångsväg för värmen är genom vulkaner eller kryovulkaner. En annan väg är genom tektonik, vilket är en geologisk process som ansvarar för rörelsen av det yttersta steniga eller isiga lagret på en planet eller måne. Oavsett hur värmen släpps ut, Att veta hur mycket av det en planet trycker ut är viktigt eftersom det kan skapa eller bryta beboelighet.

Till exempel, för mycket vulkanisk aktivitet kan förvandla en livlig värld till en smält mardröm. Men för lite aktivitet kan stänga av utsläppet av gaser som utgör en atmosfär, lämnar en förkylning, karg yta. Precis rätt mängd stödjer en beboelig, våt planet som jorden, eller en möjligen beboelig måne som Europa.

Under nästa decennium, NASA:s Europa Clipper kommer att utforska Europas yta och underyta och ge insikter om miljön under ytan. Ju mer forskare kan lära sig om Europa och andra potentiellt beboeliga månar i vårt solsystem, desto bättre kommer de att kunna förstå liknande världar runt andra stjärnor – vilket kan finnas gott om, enligt dagens fynd.

"Kommande uppdrag kommer att ge oss en chans att se om havsmånar i vårt solsystem kan stödja liv, säger Quick, som är en vetenskapsgruppmedlem på både Clipper-uppdraget och Dragonfly-uppdraget till Saturnus måne Titan. "Om vi ​​hittar kemiska signaturer av liv, vi kan försöka leta efter liknande tecken på interstellära avstånd."

När Webb startar, forskare kommer att försöka upptäcka kemiska signaturer i atmosfären på några av planeterna i TRAPPIST-1-systemet, som ligger 39 ljusår bort i stjärnbilden Vattumannen. Under 2017, astronomer meddelade att detta system har sju planeter i jordstorlek. Vissa har föreslagit att vissa av dessa planeter kan vara vattniga, och Quicks uppskattningar stöder denna idé. Enligt hennes teams beräkningar, TRAPPIST-1 e, f, g och h kan vara havsvärldar, vilket skulle placera dem bland de 14 havsvärldar som forskarna identifierade i denna studie.

Forskarna förutspådde att dessa exoplaneter har hav genom att överväga yttemperaturerna för var och en. Denna information avslöjas av mängden stjärnstrålning varje planet reflekterar ut i rymden. Quicks team tog också hänsyn till varje planets densitet och den uppskattade mängden intern uppvärmning den genererar jämfört med jorden.

"Om vi ​​ser att en planets densitet är lägre än jordens, det är en indikation på att det kan finnas mer vatten där och inte så mycket sten och järn, " säger Quick. Och om planetens temperatur tillåter flytande vatten, du har en havsvärld.

"Men om en planets yttemperatur är mindre än 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius), där vattnet är fruset, " säger Quick, "då har vi en isig havsvärld, och densiteterna för dessa planeter är ännu lägre."