Exoplaneter upplever en stratosfärisk uppgång. Under de tre decennierna sedan den första bekräftade planeten kretsade runt en annan stjärna, har forskare katalogiserat mer än 4 000 av dem. När listan växer ökar också önskan att hitta jordliknande exoplaneter – och att avgöra om de kan vara livsuppehållande oaser som vår egen jordklot.

Under de kommande decennierna bör nya uppdrag lanseras som kan samla in allt större mängder data om exoplaneter. För att förutse dessa framtida ansträngningar har ett team vid University of Washington och University of Bern beräkningssimulerat mer än 200 000 hypotetiska jordliknande världar – planeter som har samma storlek, massa, atmosfäriska sammansättning och geografi som den moderna jorden – alla i omloppsbana om stjärnor som vår sol. Deras mål var att modellera vilka typer av miljöer astronomer kan förvänta sig att hitta på verkliga jordliknande exoplaneter.

Som de rapporterar i en artikel som godkänts av Planetary Science Journal och skickade in den 6 december till preprint-webbplatsen arXiv, på dessa simulerade exoplaneter, saknades ofta ett gemensamt kännetecken på dagens jord:partiell istäckning.

"Vi simulerade i huvudsak jordens klimat på världar runt olika typer av stjärnor, och vi finner att i 90 % av fallen med flytande vatten på ytan finns det inga inlandsisar, som polarmössor", säger medförfattaren Rory Barnes, en UW professor i astronomi och vetenskapsman vid UW:s Virtual Planetary Laboratory. "När is är närvarande ser vi att isbälten - permanent is längs ekvatorn - faktiskt är mer sannolikt än iskappor."

Fynden kastar ljus över det komplexa samspelet mellan flytande vatten och is på jordliknande världar, enligt huvudförfattaren Caitlyn Wilhelm, som ledde studien som student vid UW Department of Astronomy.

"Att titta på istäckningen på en jordliknande planet kan berätta mycket om huruvida den är beboelig", säger Wilhelm, som nu är forskare vid Virtual Planetary Laboratory. "Vi ville förstå alla parametrar - formen på omloppsbanan, den axiella lutningen, typen av stjärna - som påverkar om du har is på ytan, och i så fall var."

Teamet använde en 1-D energibalansmodell, som beräkningsmässigt imiterar energiflödet mellan en planets ekvator och poler, för att simulera klimatet på tusentals hypotetiska exoplaneter i olika omloppskonfigurationer runt stjärnor av F-, G- eller K-typ. Dessa klasser av stjärnor, som inkluderar vår egen sol av G-typ, är lovande kandidater för att vara värd för livsvänliga världar i sina beboeliga zoner, även känd som "Goldilocks"-zonen. Stjärnor av F-typ är lite varmare och större än vår sol; Stjärnor av K-typ är något kallare och mindre.

I deras simuleringar varierade exoplaneternas banor från cirkulära till en uttalad oval. Teamet övervägde också axiella lutningar från 0 till 90 grader. Jordens axiella lutning är måttliga 23,5 grader. En planet med 90 graders lutning skulle "sitta på sidan" och uppleva extrema säsongsvariationer i klimat, ungefär som planeten Uranus.

Enligt simuleringarna, som omfattade en tidsperiod på 1 miljon år på varje värld, visade jordliknande världar klimat som sträckte sig från planetomfattande "snöbollsklimat" - med is närvarande på alla breddgrader - till ett ångande "fuktigt växthus", som liknar förmodligen Venus klimat innan en skenande växthuseffekt gjorde dess yta tillräckligt varm för att smälta bly. Men även om de flesta miljöer i simuleringarna föll någonstans mellan dessa ytterligheter, fanns partiell ytis på endast cirka 10 % av hypotetiska, beboeliga exoplaneter.

Modellen inkluderade naturliga variationer över tid i varje världs axiella lutning och omloppsbana, vilket delvis förklarar den allmänna bristen på is på beboeliga exoplaneter, enligt medförfattaren Russell Deitrick, en postdoktor vid universitetet i Bern och forskare vid Virtual Planetary. Laboratorium.

"Banor och axiella lutningar förändras alltid," sa Deitrick. "På jorden kallas dessa variationer för Milankovitch-cykler och är mycket små i amplitud. Men för exoplaneter kan dessa förändringar vara ganska stora, vilket kan eliminera is helt eller utlösa "snöbollstillstånd."

När partiell is var närvarande varierade dess fördelning efter stjärna. Runt stjärnor av F-typ hittades polära iskappor - som vad jorden sport för närvarande - ungefär tre gånger oftare än isbälten, medan isbälten förekom dubbelt så ofta som lock för planeter runt stjärnor av G- och K-typ. Isbälten var också vanligare i världar med extrema axiella lutningar, troligen eftersom säsongsbetonade extremer håller polarklimatet mer flyktigt än ekvatorialområdena, enligt Wilhelm.

Teamets fynd om is på dessa simulerade jordliknande världar borde hjälpa till i sökandet efter potentiellt beboeliga världar genom att visa astronomer vad de kan förvänta sig att hitta, särskilt när det gäller isfördelning och typer av klimat.

"Ytans is är väldigt reflekterande och kan forma hur en exoplanet "ser ut" genom våra instrument, säger Wilhelm. "Om det finns is eller inte kan också forma hur ett klimat kommer att förändras på lång sikt, oavsett om det går till en extrem – som en 'snöbollsjord' eller ett skenande växthus – eller något mer måttligt."

Enbart is, eller dess frånvaro, avgör dock inte beboelighet.

"Bytbarhet omfattar många rörliga delar, inte bara närvaron eller frånvaron av is", sa Wilhelm.

Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."