Planeter med låg massa med en uratmosfär av väte och helium kan ha de temperaturer och tryck som tillåter vatten i vätskefasen. Närvaron av flytande vatten är gynnsam för liv, så att dessa planeter potentiellt hyser exotiska livsmiljöer i miljarder år. Kredit:© (CC BY-NC-SA 4.0) - Thibaut Roger - Universität Bern - Universität Zürich.
Livet på jorden började i haven. I sökandet efter liv på andra planeter är potentialen för flytande vatten därför en nyckelingrediens. För att hitta det har forskare traditionellt letat efter planeter som liknar vår egen. Ändå behöver långvarigt flytande vatten inte nödvändigtvis förekomma under liknande omständigheter som på jorden. Forskare vid universitetet i Bern och universitetet i Zürich, som är medlemmar i National Centre of Competence in Research (NCCR) PlanetS, rapporterar i en studie publicerad i tidskriften Nature Astronomy , att gynnsamma förhållanden till och med kan inträffa i miljarder år på planeter som knappt liknar vår hemplanet alls.
Urväxthus
"En av anledningarna till att vatten kan vara flytande på jorden är dess atmosfär," förklarar studiens medförfattare Ravit Helled, professor i teoretisk astrofysik vid universitetet i Zürich och medlem av NCCR PlanetS. "Med sin naturliga växthuseffekt fångar den precis rätt mängd värme för att skapa rätt förutsättningar för hav, floder och regn", säger forskaren.
Jordens atmosfär brukade dock vara väldigt annorlunda i sin antika historia. "När planeten först bildades av kosmisk gas och stoft samlade den en atmosfär som mestadels bestod av väte och helium - en så kallad uratmosfär", påpekar Helled. Under loppet av dess utveckling förlorade emellertid jorden denna uratmosfär.
Varaktigheten av flytande vattenförhållanden för planeter vid ett brett spektrum av halvstora axlar (1 au till 100 au) och enveloppmassor (10 −1,8 till 10 −6 M ⊕ ). Planeter får instrålning baserat på ljusutvecklingen hos en solliknande stjärna. a –c , kärnmassa på 1,5 (a ), 3 (b ) och 8 M ⊕ (c ). Varaktigheten av den totala utvecklingen är 8 Gyr. Färgen på en rutnätspunkt anger hur länge det fanns kontinuerliga yttryck och temperaturer som tillåter flytande vatten, τ lqw . Dessa sträcker sig från 10 Myr (lila) till över 5 Gyr (gul). Gråa korsar motsvarar fall utan förhållanden med flytande vatten som varar längre än 10 Myr. Atmosfärisk förlust beaktas inte i dessa simuleringar. d , Resultat för planeter med en kärnmassa på 3 M ⊕ , men inklusive begränsningen att yttemperaturen måste vara mellan 270 och 400 K. Varje panel innehåller ett "obundet" fall där avståndet är satt till 10 6 au och solinstrålning har blivit försumbar. Kredit:Nature Astronomy (2022). DOI:10.1038/s41550-022-01699-8
Andra, mer massiva planeter kan samla mycket större uratmosfärer, som de kan behålla på obestämd tid i vissa fall. "Sådana massiva uratmosfärer kan också inducera en växthuseffekt - ungefär som jordens atmosfär idag. Vi ville därför ta reda på om dessa atmosfärer kan bidra till att skapa de nödvändiga förutsättningarna för flytande vatten", säger Helled.
Flytande vatten i miljarder år
För att göra det, modellerade teamet grundligt otaliga planeter och simulerade deras utveckling under miljarder år. De stod inte bara för egenskaperna hos planeternas atmosfärer utan också för intensiteten av strålningen från deras respektive stjärnor samt för planeternas inre värme som strålade utåt. Medan den här geotermiska värmen på jorden bara spelar en mindre roll för förhållandena på ytan, kan den bidra mer påtagligt på planeter med massiva uratmosfärer.
"Vad vi fann är att i många fall gick uratmosfärer förlorade på grund av intensiv strålning från stjärnor, särskilt på planeter som är nära deras stjärna. Men i de fall där atmosfärerna finns kvar kan de rätta förhållandena för flytande vatten uppstå." rapporterar Marit Mol Lous, Ph.D. student och huvudförfattare till studien. Enligt forskaren vid universitetet i Bern och universitetet i Zürich, "i fall där tillräcklig geotermisk värme når ytan, är strålning från en stjärna som solen inte ens nödvändig så att förhållanden råder på ytan som tillåter förekomsten av vätska vatten."
"Kanske viktigast av allt är att våra resultat visar att dessa tillstånd kan kvarstå under mycket långa tidsperioder — upp till tiotals miljarder år", påpekar forskaren, som också är medlem i NCCR PlanetS.
Planeter med en ursprunglig väte-heliumatmosfär uppvisar ett brett spektrum av förhållanden som möjliggör flytande vatten. Kredit:© (CC BY-NC-SA 4.0) - Thibaut Roger - Universität Bern - Universität Zürich.
Vidgar horisonten för sökandet efter utomjordiskt liv
"För många kan detta komma som en överraskning. Astronomer förväntar sig vanligtvis att flytande vatten förekommer i områden runt stjärnor som får precis rätt mängd strålning:inte för mycket, så att vattnet inte avdunstar, och inte för lite, så att allt fryser inte", förklarar studiens medförfattare Christoph Mordasini, professor i teoretisk astrofysik vid universitetet i Bern och medlem av NCCR PlanetS.
"Eftersom tillgången på flytande vatten är en sannolik förutsättning för liv, och liv förmodligen tog många miljoner år att växa fram på jorden, kan detta avsevärt utöka horisonten för sökandet efter främmande livsformer. Baserat på våra resultat kan det till och med uppstå på så kallade frisvävande planeter, som inte kretsar runt en stjärna, säger Mordasini.
Varaktighet av flytande vattenförhållanden på obundna planeter. Planeterna simuleras med olika kärnmassor och höljesmassor. Rutnätspunktsfärger indikerar hur länge det fanns kontinuerliga yttryck och temperaturer som tillåter flytande vatten, τlqw. Den längsta simulerade varaktigheten var 84 miljarder år för en 10 M ⊕ kärna och en 0,01 M ⊕ kuvert. Om planeter med en uratmosfär kan vara värd för flytande vatten, kan varaktigheten vara mycket längre på obundna planeter eftersom den inre värmekällan kan utvecklas långsammare än värdstjärnan. Konturlinjer indikerar början av flytande vattenförhållanden för planeter med τ lqw> 100 Myr. Kredit:Nature Astronomy (2022). DOI:10.1038/s41550-022-01699-8
Ändå är forskaren försiktig:"Medan våra resultat är spännande, bör de betraktas med en nypa salt. För att sådana planeter ska ha flytande vatten under en lång tid måste de ha rätt mängd atmosfär. Vi vet inte hur vanligt det vill säga."
"Och även under de rätta förhållandena är det oklart hur troligt det är att liv uppstår i en sådan exotisk potentiell livsmiljö. Det är en fråga för astrobiologer. Ändå, med vårt arbete visade vi att vår jordcentrerade idé om ett liv- en vänlig planet kan vara för smal", avslutar Mordasini. + Utforska vidare
