Astrofysiker som studerar en populär exoplanet i dess stjärnas beboeliga zon har funnit att elektriska strömmar i planetens övre atmosfär kan skapa tillräcklig uppvärmning för att expandera atmosfären så mycket att den lämnar planeten, vilket troligen gör planeten obeboelig.

Hittills har planetforskare trott att en beboelig planet behöver ett starkt magnetfält som omger den för att fungera som en sköld som riktar joniserade partiklar, röntgenstrålar och ultraviolett strålning i stjärnvinden runt och bort från dess atmosfär.

Det är vad som händer på jorden, vilket förhindrar farlig strålning från att nå liv på ytan, och det som inte inträffar på Mars, som nu saknar ett globalt magnetfält, vilket betyder att alla initiala invånare på den röda planeten förmodligen kommer att behöva leva i underjordiska grottor och håligheter för solvindskydd.

Den nya forskningen, av Ofer Cohen från Lowell Center for Space Science and Technology vid University of Massachusetts Lowell och kollegor, publicerad i The Astrophysical Journal , undersökte om elektriska strömmar genereras i jonosfären på exoplaneten Trappist-1e skulle leda till tillräckligt med uppvärmning och expansion av atmosfären för att den skulle kunna skingras bort från planetens gravitation och gå förlorad till rymden.

TRAPPIST-1e är en cool M-dvärgstjärna i stjärnbilden Vattumannen cirka 41 ljusår från jorden. Dess planetsystem, som har sju observerade exoplaneter, är det mest studerade systemet utanför vårt eget solsystem.

Tre av dessa planeter är i stjärnans beboeliga zon, med yttemperaturer där flytande vatten kan finnas. Eftersom M-dvärgar, som utgör cirka 70 % av stjärnorna i universum, är kallare än vår sol, är dessa zoner mycket närmare dessa stjärnor.

Trappist-1e, en exoplanet som upptäcktes 2017, kretsar bara 0,028 AU från sin stjärna (där 1 AU är det genomsnittliga avståndet från solen till jorden; Merkurius kretsar omkring 0,4 AU). Stenig och jordliknande, dess genomsnittliga densitet är bara 2% större än jordens, och dess yttyngdkraft 82%. Dessutom har den en jämviktstemperatur på 246 Kelvin, bara 9 K under jordens.

Dessa egenskaper gör Trappist-1e till en av de mest intressanta av alla exoplaneter som hittills upptäckts. Men har det en atmosfär? Eftersom den är belägen mycket närmare sin stjärna, bör atmosfärisk strippning av stjärnvindar vara mycket starkare än till exempel Merkurius, som inte har någon atmosfär.

Tidigare arbete visade att stjärnvindar från Trappist-1 potentiellt skulle kunna ta bort en väterik atmosfär från dess exoplaneter genom fotoförångning, men att modellera komplexiteten innebär att dessa planeter kan ha en mängd atmosfäriska miljöer.

Men en annan potentiell strippningsmekanism är när yttre laddade stjärnvindar påverkar den joniserade övre atmosfären. I tidigare arbete fann Cohen och andra att när konduktansen och impedansen för var och en är lika i storlek, kunde de tre trappist-exoplaneterna e, f och g uppleva likströmsresistiv uppvärmning på upp till 1 watt per kvadratmeter, 1 % av den inkommande solinstrålningen och 5 till 15 gånger stjärnenergin från extrem ultraviolett strålning. Sådan "Joule-uppvärmning" skulle potentiellt kunna avlägsna atmosfären från vilken som helst av dessa planeter. (På jorden är Joule-uppvärmningen cirka 0,01 W/m ² .)

Nu har Cohen och kollegor modellerat ett andra fenomen som också kan påverka Trappist-1 planetariska atmosfärer:uppvärmning på grund av själva planetens rörelse. Alternerande elektriska strömmar (AC) kommer att genereras i planetens övre atmosfär när den möter ett föränderligt stjärnmagnetfält när planeten kretsar runt sin stjärna (Faradays induktionslag).

Närliggande planeter kretsar mycket snabbt – Trappist-1es omloppsperiod är bara 6,1 jorddagar – och den snabba förändringen i bakgrundsmagnetfältet leder till generering av starka jonosfäriska strömmar som skingras och skapar potentiellt mycket hög uppvärmning, som de kallar spänning -driven Joule-uppvärmning.

Eftersom astronomer inte har mätningar av Trappist-1:s stjärnvind och magnetfält, använde gruppen validerade fysikbaserade modeller för att beräkna dess energiproduktion, dess solvind och det föränderliga magnetfältet på avståndet Trappist-1e. Genom att använda rimliga uppskattningar för bredden av Trappist 1es jonosfär, dess konduktans och storleken på det föränderliga magnetfältet, visar deras resultat att Joule-värmeenergiflödet i planetens övre atmosfär skulle variera från 0,01 till 100 W/m ² , en betydande mängd uppvärmning som kan vara större än den på grund av extrem ultraviolett ljus och 1 till 10 % av stjärnenergiflödet på planeten.

De drar slutsatsen att sådana intensiva värden kan orsaka en stark atmosfärisk flykt och "kan leda till en snabb förlust av atmosfären." Det betyder att astrobiologer och andra bör ta hänsyn till Joule-uppvärmning när de överväger en exoplanets beboelighet.

"Det är troligt att båda mekanismerna fungerar tillsammans i näraliggande exoplaneter," sa Cohen. "Därför kan vårt arbete (och vår kunskap om solsystem) tyda på att exoplaneter som ligger mycket nära stjärnan sannolikt är kala planeter utan atmosfär."

Cohen noterar att deras arbete har ett politiskt inslag, eftersom många team undersöker atmosfären på Trappist-1-planeter. James Webb Space Telescope (JWST) har redan börjat observera detta systems planetariska atmosfärer (finner ingen), och det finns planer på att göra mer. "Det här kan vara lite slöseri med resurser om det inte finns någon atmosfär att studera", sa Cohen.

Mer information: Ofer Cohen et al, Heating of the Atmospheres of Short-orbit Exoplanets by their Rapid Orbital Motion through an Extreme Space Environment, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad206a

Journalinformation: Astrofysisk tidskrift

© 2024 Science X Network