Mängden långlivade radioaktiva grundämnen som ingår i en stenig planet när den bildas kan vara en avgörande faktor för att bestämma dess framtida beboelighet, enligt en ny studie av ett tvärvetenskapligt team av forskare vid UC Santa Cruz.

Det beror på att intern uppvärmning från det radioaktiva sönderfallet av de tunga elementen torium och uran driver plattektoniken och kan vara nödvändig för att planeten ska generera ett magnetfält. Jordens magnetfält skyddar planeten från solvindar och kosmiska strålar.

Konvektion i jordens smälta metalliska kärna skapar en inre dynamo ("geodynamon") som genererar planetens magnetfält. Jordens försörjning av radioaktiva ämnen ger mer än tillräckligt med intern uppvärmning för att generera en ihållande geodynamo, enligt Francis Nimmo, professor i jord- och planetvetenskap vid UC Santa Cruz och första författare till en artikel om de nya rönen, publicerad 10 november i Astrofysiska tidskriftsbrev .

"Vad vi insåg var att olika planeter ackumulerar olika mängder av dessa radioaktiva element som i slutändan driver geologisk aktivitet och magnetfältet, " förklarade Nimmo. "Så vi tog en modell av jorden och vred mängden inre radiogen värmeproduktion upp och ner för att se vad som händer."

Vad de fann är att om den radiogena uppvärmningen är mer än jordens, planeten kan inte permanent upprätthålla en dynamo, som jorden har gjort. Det händer eftersom det mesta av torium och uran hamnar i manteln, och för mycket värme i manteln fungerar som en isolator, förhindrar den smälta kärnan från att förlora värme tillräckligt snabbt för att generera de konvektiva rörelser som producerar magnetfältet.

Med mer radiogen intern uppvärmning, planeten har också mycket mer vulkanisk aktivitet, som skulle kunna leda till frekventa massutrotningshändelser. Å andra sidan, för lite radioaktiv värme resulterar i ingen vulkanism och en geologiskt "död" planet.

"Bara genom att ändra denna ena variabel, du sveper igenom dessa olika scenarier, från geologiskt död till jordliknande till extremt vulkanisk utan dynamo, " sade Nimmo, och tillägger att dessa fynd motiverar mer detaljerade studier.

"Nu när vi ser de viktiga konsekvenserna av att variera mängden radiogen uppvärmning, den förenklade modellen som vi använde bör kontrolleras med mer detaljerade beräkningar, " han sa.

Beboelighet

En planetarisk dynamo har varit knuten till beboelighet på flera sätt, enligt Natalie Batalha, en professor i astronomi och astrofysik vars Astrobiology Initiative vid UC Santa Cruz utlöste det tvärvetenskapliga samarbetet som ledde fram till denna artikel.

"Det har länge spekulerats i att intern uppvärmning driver plattektoniken, som skapar kolkretslopp och geologisk aktivitet som vulkanism, som skapar en atmosfär, " förklarade Batalha. "Och förmågan att behålla en atmosfär är relaterad till magnetfältet, som också drivs av intern uppvärmning."

Medförfattare Joel Primack, professor emeritus i fysik, förklarade att stjärnvindar, som är snabbrörliga flöden av material som kastas ut från stjärnor, kan stadigt erodera en planets atmosfär om den inte har något magnetfält.

"Avsaknaden av ett magnetfält är tydligen en del av orsaken, tillsammans med dess lägre gravitation, varför Mars har en väldigt tunn atmosfär, " sa han. "Det brukade ha en tjockare atmosfär, och ett tag hade den ytvatten. Utan skydd av ett magnetfält, mycket mer strålning kommer igenom och planetens yta blir också mindre beboelig."

Primack noterade att de tunga grundämnena som är avgörande för radiogen uppvärmning skapas under sammanslagningar av neutronstjärnor, som är extremt sällsynta händelser. Skapandet av dessa så kallade r-processelement under neutron-stjärnsammanslagningar har varit ett fokus för forskning av medförfattaren Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi och astrofysik.

"Vi förväntar oss avsevärd variation i mängden av dessa element som ingår i stjärnor och planeter, eftersom det beror på hur nära materien som bildade dem var där dessa sällsynta händelser inträffade i galaxen, sa Primack.

Astronomer kan använda spektroskopi för att mäta mängden olika grundämnen i stjärnor, och planeternas sammansättning förväntas likna de stjärnor de kretsar kring. Det sällsynta jordartselementet europium, som lätt kan observeras i stjärnspektra, skapas av samma process som gör de två längsta radioaktiva grundämnena, torium och uran, så europium kan användas som spårämne för att studera variabiliteten hos dessa element i vår galaxs stjärnor och planeter.

Naturligt utbud

Astronomer har fått europiummätningar för många stjärnor i vårt galaktiska grannskap. Nimmo kunde använda dessa mätningar för att fastställa ett naturligt utbud av ingångar till sina modeller för radiogen uppvärmning. Solens sammansättning är i mitten av det området. Enligt Primack, många stjärnor har hälften så mycket europium jämfört med magnesium som solen, och många stjärnor har upp till två gånger mer än solen.

Vikten och variationen av radiogen uppvärmning öppnar många nya frågor för astrobiologer, sa Batalha.

"Det är en komplex historia, eftersom båda ytterligheterna har konsekvenser för beboelighet. Du behöver tillräckligt med radiogen uppvärmning för att upprätthålla plattektoniken men inte så mycket att du stänger av den magnetiska dynamo, " sa hon. "I slutändan, vi letar efter livets mest troliga boningar. Överflödet av uran och torium verkar vara nyckelfaktorer, möjligen till och med en annan dimension för att definiera en Goldilocks-planet."

Genom att använda europiummätningar av sina stjärnor för att identifiera planetsystem med olika mängder radiogena element, astronomer kan börja leta efter skillnader mellan planeterna i dessa system, Nimmo sa, speciellt när rymdteleskopet James Webb är utplacerat. "James Webb rymdteleskop kommer att vara ett kraftfullt verktyg för att karakterisera exoplanetatmosfärer, " han sa.

Förutom Nimmo, Primack, och Ramirez-Ruiz, medförfattarna till tidningen inkluderar Sandra Faber, professor emerita i astronomi och astrofysik, och postdoktor Mohammadtaher Safarzadeh.