Nya exoplanetutforskningar har fokuserat på upptäckten av tempererade stenplaneter som jorden, som ofta kallas beboeliga planeter. De flesta av de senaste uppdragen är inriktade på stjärnor som är kallare än solen. Sådana stjärnor är kända som röda dvärgar eller stjärnor av M-typ, vilka är många i solområdet.

Måttlig solinstrålning och en tillräcklig mängd havsvatten är nödvändiga för att en planet ska upprätthålla ett tempererat klimat. Tidigare modeller för planetbildning förutspår dock att förekomstfrekvensen av planeter som uppfyller sådana villkor runt stjärnor av M-typ är liten. Nya simuleringar utförda av Tadahiro Kimura, doktorand från University of Tokyo och prof. Masahiro Ikoma från Division of Science, NAOJ, har fokuserat på bildandet av en väterik atmosfär från den protoplanetära skivan och vattenproduktion via reaktionen mellan atmosfären och magmahavet.

De har utvecklat en ny modell för planetbildning och har därmed förutspått mängden havsvatten som exoplaneter som kretsar kring stjärnor av M-typ skulle ha. Som ett resultat visar deras uppskattning att flera procent av planeterna med jordliknande radier och solstrålning som kretsar runt stjärnor av M-typ har måttliga mängder havsvatten. Detta tyder på att upptäckten av planeter med tempererat klimat under det kommande decenniet är troligt. Forskningsresultaten har publicerats i Nature Astronomy den 29 september.

Sedan den första upptäckten 1995 har mer än 5 000 planeter som kretsar kring andra stjärnor än solen (exoplaneter) upptäckts. Detekteringen av ett så stort antal exoplaneter har visat att planetsystem är vanligt förekommande i universum. Å andra sidan har det också blivit tydligt att exoplaneter är olika vad gäller storlek, sammansättning, avstånd från den centrala stjärnan och solinsläpp.

Bland de planeter som hittills upptäckts finns det många planeter i jordens storlek. Huruvida någon av dem har ett tempererat klimat som jorden är en fråga av stort intresse. Vatten är nödvändigt för livet på jorden, men vatten spelar också en viktig roll i klimatet. Det är känt att upprätthållandet av tempererade klimat kräver en måttlig mängd stjärnstrålning såväl som ett hav med en måttlig mängd vatten.

Den nuvarande jorden kan upprätthålla ett varmt klimat på grund av kolcykelns funktion med plattektonik och kontinental vittring; om mängden havsvatten var flera dussin gånger större än på jorden, skulle kolets kretslopp begränsas, vilket resulterade i ett extremt varmt eller kallt klimat.

En utbredd idé är att dagens jordhav levererades av vattenförande steniga eller isiga kroppar. Tidigare studier som tillämpade denna idé på exoplaneter runt stjärnor av M-typ ledde till förutsägelsen att planeter med måttligt vatteninnehåll är sällsynta, vilket tyder på att även om stjärnor av M-typ är huvudmålet för framtida sökningar efter beboeliga planeter, är det högst osannolikt att beboeliga planeter kommer att hittas. .

Å andra sidan föreslogs produktion av vatten i en ackumulerande atmosfär som en alternativ vatteninsamlingsprocess i tidigare forskning av prof. Ikoma och hans kollega. I allmänhet, när en planet växer i en protoplanetär skiva, hämtar den genom gravitation gas från skivan och bildar en atmosfär som huvudsakligen består av väte.

Dessutom tros den steniga ytan på den växande planeten vara smält på grund av värmen från himmelska nedslag (se fig. 1); planeten är nämligen täckt av ett magmahav. Vid denna tidpunkt leder en kemisk reaktion mellan atmosfäriskt väte och oxider i magmahavet till att producera vatten. Med hänsyn till effekterna av en sådan vattenproducerande reaktion är det möjligt att bilda en planet som är rikare på vatten än i konventionella teoretiska modeller.

Mängden vattenhaltig sten som förvärvas av en planet och mängden vatten som erhålls från vattenproducerande reaktioner är starkt beroende av planetbildningsprocessen. I denna studie har Tadahiro Kimura och Masahiro Ikoma utvecklat en ny planetarisk populationssyntesmodell för att omvärdera frekvensen av vattenplaneter i extrasolära system runt stjärnor av M-typ.

Modellen följer masstillväxten och omloppsutvecklingen av planeter baserat på de senaste teorierna om planetbildning, och kan beräkna mängden vatten som förvärvas i processen. Förutom det tidigare övervägda förvärvet av vattenhaltiga bergarter, inkluderar modellen också effekten av vattenproduktion i den ursprungliga atmosfären.

Numeriska simuleringar med denna modell visar att en mängd olika planeter av olika storlekar och atmosfäriska massor produceras på olika platser (se fig. 2). Det beräknade vatteninnehållet för planeter i den beboeliga zonen visas i fig. 3.

Som visas i figuren kan exoplaneter som kretsar kring stjärnor av M-typ behålla mycket olika mängder vatten när vattenproduktionen i uratmosfären fungerar. Vissa av dessa planeter har bildats med liknande mängder havsvatten som jordens. Det mesta av havsvattnet på dessa planeter förs genom den atmosfäriska vattenproduktionen. Analys av beräkningsdata har lett till förutsägelsen att flera procent av planeter med planetradier mellan 0,7 och 1,3 gånger jordens radier behåller tillräckliga mängder vatten för att upprätthålla tempererade klimat (cirka 0,1–100 gånger jordens havsvatteninnehåll).

Det förväntas att nästan 100 planeter av jordstorlek kommer att upptäckas i den beboeliga zonen runt stjärnor av M-typ i pågående och framtida exoplanetutforskningsprogram som TESS och PLATO. Resultaten av denna studie förutspår att flera av dessa planeter kommer att vara vattenplaneter med jordliknande varma klimat.

Observationer av exoplaneternas atmosfäriska spektra med de infraröda rymdteleskopen JWST och Ariel kommer också att avslöja närvaron av vattenmolekyler och andra element i atmosfären. Dessa observationer förväntas validera de teoretiska förutsägelserna av denna forskning och leda till en bättre förståelse av bildningsprocessen av vattenplaneter som jorden. + Utforska vidare

Åsikt:Forskare kan ha upptäckt en jordliknande planet. Låt någon av dem berätta om det.