Extrasolära planeter upptäcks i snabb takt—4, 531 planeter i 3, 363-system (med ytterligare 7, 798 kandidater som väntar på bekräftelse). Av dessa, 166 har identifierats som steniga planeter (även kända som "jordliknande"), medan ytterligare 1, 389 har kategoriserats som steniga planeter som är flera gånger så stora som jorden ("Super-Earths"). När fler och fler upptäckter görs, astronomernas fokus skiftar från upptäcktsprocessen till karakterisering.

För att kvantifiera om någon av dessa exoplaneter är beboeliga, astronomer och astrobiologer letar efter sätt att upptäcka biomarkörer och andra tecken på biologiska processer. Enligt en ny studie, indikationer på en kol-silikatcykel kan vara nyckeln. På jorden, denna cykel säkerställer att vårt klimat förblir stabilt i eoner, och det kan vara nyckeln till att hitta liv på andra planeter.

Studien, med titeln "Carbon cycling och beboelighet av massiva jordliknande exoplaneter, " dirigerades av Amanda Kruijver, Dennis Höning, och Wim van Westrenen – tre jordforskare vid Vrije Universiteit Amsterdam. Höning är också fellow med Origins Center, ett Nederländerna-baserat nationellt vetenskapsinstitut som har åtagit sig att forska om livets ursprung och utveckling i vårt universum. Deras studie publicerades nyligen i The Planetary Science Journal .

På jorden, denna tvåstegscykel säkerställer att koldioxid (CO ₂ ) nivåer i vår atmosfär förblir relativt konsekventa över tiden. I det första steget, koldioxid avlägsnas från vår atmosfär genom att reagera med vattenånga för att bilda kolsyra, som vittrar och löser silikatberg. Produkterna från denna vittring sköljs ut i haven, skapar karbonatsten som sjunker till havsbotten och blir en del av jordens mantel.

Det är här det andra steget kommer in i bilden. Väl i manteln, karbonatstenar smälts ner för att skapa silikatmagma och CO ₂ gas, varav den senare släpps tillbaka till atmosfären genom vulkanutbrott. Som Dr. Höning förklarade för Universe Today via e-post, processen påverkas också av förändringar i ytförhållanden:

"Viktigt, hastigheten på denna process beror på yttemperaturen:Om ytan blir varmare, vittringsreaktioner påskyndar, och mer CO ₂ kan avlägsnas från atmosfären. Sedan CO ₂ är en växthusgas, denna mekanism kyler ner ytan, så vi har en stabiliserande feedback. Vi måste påpeka att denna stabiliserande feedback behöver lång tid för att vara effektiv, i storleksordningen hundratusentals år eller till och med miljoner år."

En viktig faktor är hur solen har blivit varmare med tiden, Dr Höning tillade. Jämfört med jordens tidiga historia, vår planet får nu ungefär 30 % mer energi från solen, vilket är anledningen till att atmosfärisk CO ₂ nivåerna var högre i det avlägsna förflutna. Därför, det är säkert att säga att vittringen blir mer uttalad när en planet blir äldre och att atmosfärisk CO ₂ nivåerna kommer att sjunka i en ökande takt vid denna tidpunkt i deras utveckling.

Eftersom detta är en enkel kemisk process, det finns ingen anledning att tro att en kol-silikatcykel inte skulle kunna fungera på andra planeter – förutsatt att de har flytande vatten på sina ytor. För exoplanetforskare och astrobiologer, närvaron av flytande vatten har varit avgörande för det pågående sökandet efter utomjordiskt liv. Frågan om plattektonik har också tagits upp eftersom detta spelar en betydande roll för att upprätthålla jordens beboelighet över tid. Sa Dr Höning:

"I vårt eget solsystem, endast planeten Jorden har plattektonik och därför subduktion. Anledningen till detta är inte helt klarlagd och föremål för moderna studier - förmodligen har det att göra med bergets sammansättning, planetens storlek, yttemperatur, eller med förekomsten av flytande vatten på själva ytan.

"Om vi ​​skulle ha vittring på en exoplanet men ingen subduktion, de producerade karbonaterna skulle ackumuleras på ytan och kan bli instabila igen efter miljontals år. Vi undersökte detta scenario i tidigare arbete och fann att klimatet fortfarande skulle vara reglerat i viss utsträckning, även om det är något mindre effektivt än med plattektonik som antas i denna artikel."

Dr Höning och hans kollegor är knappast ensamma när det gäller att undersöka om plattektonik och geologisk aktivitet är avgörande för livet. På senare år har liknande forskning har utförts som har övervägt om stillastående lockplaneter (där ytan och manteln består av en inaktiv platta) täckta av hav fortfarande skulle kunna ha en kolcykel – med uppmuntrande resultat.

För deras studiers skull, Dr. Höning och hans kollegor försökte avgöra om en kol-silikatcykel skulle vara möjlig på andra steniga planeter som sträcker sig från att vara "jordliknande" till "superjordar." För detta ändamål, de skapade en modell som återgav jordens karbonat-silikatcykel och tog hänsyn till alla relevanta processer, inklusive inre evolution, vulkanisk avgasning, förvittring, och subduktion. De funderade sedan på hur modellen kunde vara känslig för förändringar i storlek och massa.

"Till exempel, trycket inom massiva planeter ökar kraftigare med djupet eftersom gravitationen är högre, ", sa Dr. Höning. "Trycket har en effekt på smältdjupet och även på styrkan av mantelkonvektion, som bestämmer den inre kylhastigheten. Så vi uppdaterade alla modelldelar som är känsliga för planetens storlek eller massa och kunde därför utforska inverkan av dessa parametrar på exoplaneternas beboelighet."

Vad de fann var att en ökning av massan (till en punkt) skulle resultera i högre genomsnittliga yttemperaturer, därigenom förändra vad som skulle anses vara planetens circumsolar beboeliga zon (även känd som "Goldilocks Zone"). Sa Dr Höning:

"Vi fann att exoplaneter av jordens ålder men ~3 gånger mer massiva borde ha högre vulkanisk utgasningshastighet, eftersom deras inre är mycket varmare och mantelkonvektion därför mer kraftfull. Karbonat-silikatcykeln kan fortfarande reglera klimatet på dessa planeter, men vi förväntar oss en varmare yta. Därför, det optimala avståndet mellan planeten och stjärnan för att behålla flytande vatten på planetens yta är lite längre bort än jordens avstånd till solen."

Dock, resultaten var det motsatta när de ökade massan på en stenig planet upp till 10 gånger jordens (vilket motsvarar ~2 jordradier). "Här, trycket inom dessa planeter är så stort att vulkanisk aktivitet och utgasning av CO ₂ blir mindre, " sade han. "Men, eftersom värmen från deras inre inte förloras lika effektivt, avgasning av CO ₂ blir särskilt effektiv i den senare utvecklingen. Tyvärr, stjärnornas ljusstyrka ökar också med tiden, så planeten kan då bli för varm för att något flytande vatten ska kunna existera."

Det finns många fördelar med dessa resultat. För en, studien visar att storlek och massa är viktiga parametrar för planetarisk beboelighet. På samma gång, storlek och massa är bland de mycket få parametrar som forskarna har tillgång till just nu. Precis som med de tillgängliga detekteringssätten – Transitmetoden, till exempel, är mycket bra på att begränsa dessa två egenskaper – forskare är något begränsade av indirekta medel och måste förlita sig på extrapolationer och modellering.

Dock, dessa två parametrar är fortfarande mycket användbara för att begränsa vilka typer av steniga planeter som kan vara beboeliga och vilka som sannolikt inte kommer att stödja liv. Vad mer, de visar hur en planets ålder och massa spelar en viktig roll för att upprätthålla en kolcykel, och därmed planetens beboelighet. Genom att överväga dessa faktorer tillsammans, forskare kommer att kunna säga om en planet är "potentiellt beboelig mer självsäkert." Som Dr Höning sammanfattade:

"Ett huvudresultat av vår artikel är att vi verkligen borde titta på kombinationen av planetstorlek och ålder för att få en uppfattning om beboelighet. Planeter i storleken av jorden bör vara beboeliga under en mycket lång tidsperiod, men deras atmosfärer är förstås svårare att karakterisera än för större planeter. Planeter med 3 gånger jordens massa (som tar emot samma stjärnflöde) bör ha en varmare yta än jorden (skillnad ~10K). Ännu mer massiva planeter som tar emot samma stjärnflöde är lite svalare, men skulle värmas upp avsevärt senare i deras utveckling."

Vad mer, denna studie kommer att vara fördelaktig när nästa generations teleskop blir tillgängliga och kan utföra direkta observationer av exoplaneter. Detta är något astronomer förväntar sig av det kommande James Webb Space Telescope (JWST), det romerska rymdteleskopet Nancy Grace, och markbaserade observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), och Thirty Meter Telescope (TMT).

Genom att direkt observera ljus som reflekteras av en exoplanets atmosfär, astronomer kommer att få spektra som avslöjar atmosfärens kemiska sammansättning. Denna forskning kan användas för framtida studier för att placera detektering av atmosfärisk CO ₂ i sitt rätta sammanhang. Kortfattat, Astrobiologer kommer att avgöra om det är en indikation på geologisk aktivitet och kan därför tolkas som en möjlig indikation på beboelighet.

En annan uppmuntrande aspekt av studien är att även när det gäller stenplaneter av varierande massor och storlekar, karbonat-silikatcykeln förblir en effektiv regulator av klimatet. Om forskare upptäcker bevis för denna cykel på exoplaneter, de kan vara säkra på att det indikerar potentiell beboelighet, oavsett hur massiv planeten är. "Så, vi kan förbli optimistiska när det gäller att hitta utomjordiskt liv i framtiden." sa Dr. Höning.