Någonstans i vår galax, en exoplanet kretsar förmodligen om en stjärna som är kallare än vår sol, men istället för att frysa fast, planeten kan vara mysig varm tack vare en växthuseffekt orsakad av metan i dess atmosfär.

NASA astrobiologer från Georgia Institute of Technology har utvecklat en heltäckande ny modell som visar hur planetkemi kan få det att hända. Modellen, publicerad i en ny studie i tidskriften Naturgeovetenskap , baserades på ett troligt scenario på jorden för tre miljarder år sedan, och byggdes faktiskt kring dess möjliga geologiska och biologiska kemi.

Solen producerade en fjärdedel mindre ljus och värme då, men jorden förblev tempererad, och metan kan ha räddat vår planet från en eonlång djupfrysning, forskare hypoteser. Hade det inte, vi och de flesta andra komplexa liv skulle nog inte vara här idag.

Den nya modellen kombinerade flera mikrobiella metaboliska processer med vulkaniska, oceaniska och atmosfäriska aktiviteter, vilket kan göra det till det mest omfattande i sitt slag hittills. Men när jag studerade jordens avlägsna förflutna, Georgia Tech-forskarna riktade sin modell ljusår bort, vill att det någon gång ska hjälpa till att tolka förhållanden på nyligen upptäckta exoplaneter.

Forskarna ställer modellens parametrar i stort så att de inte bara kan tillämpas på vår egen planet utan också potentiellt på dess syskon med olika storlekar, geologier, och livsformer.

Jorden och dess syskon

"Vi hade verkligen ett öga på framtida användning med exoplaneter av en anledning, "sa Chris Reinhard, studiens huvudutredare och en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences. "Det är möjligt att de atmosfäriska metanmodeller som vi undersöker för den tidiga jorden representerar förhållanden som är vanliga för biosfärer i hela vår galax eftersom de inte kräver ett så avancerat utvecklingsstadium som vi har här på jorden nu."

Reinhard och första författaren Kazumi Ozaki publicerade sina Naturgeovetenskap tidning den 11 december, 2017. Forskningen stöddes av NASA Postdoc Program, Japan Society for the Promotion of Science, NASA Astrobiology Institute och Alfred P. Sloan Foundation.

Tidigare modeller har undersökt blandningen av atmosfäriska gaser som behövs för att hålla jorden varm trots solens tidigare svimning, eller studerat isolerade mikrobiella ämnesomsättningar som kunde ha gjort den metan som behövs. "I isolering, varje ämnesomsättning har inte skapat produktiva modeller som stod för så mycket metan, "Sa Reinhard.

Georgia Tech -forskarna synergiserade de isolerade mikrobiella metabolismen, inklusive gammal fotosyntes, med geologisk kemi för att skapa en modell som återspeglar komplexiteten hos en hel levande planet. Och modellens metanproduktion ballonerade.

"Det är viktigt att tänka på mekanismerna som styr de atmosfäriska nivåerna av växthusgaser inom ramen för alla biogeokemiska cykler i havet och atmosfären, "sa författaren Ozaki, en postdoktor.

Carl Sagan och den svaga solen

Georgia Tech -modellen stärker en ledande hypotes som försöker förklara ett mysterium som kallas den "svaga unga solparadoxen" som den ikoniska avlidne astronomen Carl Sagan och hans kollega vid Cornell University George Mullen påpekade 1972.

Astronomer märkte för länge sedan att stjärnor brann ljusare när de mognade och svagare i sina ungdomar. De beräknade att för ungefär två miljarder år sedan, vår sol måste ha skenat cirka 25 procent svagare än den gör idag.

Det hade varit för kallt för att något flytande vatten skulle kunna existera på jorden, men paradoxalt nog, starka bevis säger att det fanns flytande vatten. "Baserat på observationen av det geologiska rekordet, vi vet att det måste ha funnits flytande vatten, "Sa Reinhard, "och i vissa fall vi vet att temperaturen var ungefär som den är idag, om inte lite varmare. "

Sagan och Mullen antog att jordens atmosfär måste ha skapat en växthuseffekt som räddade den. Då, de misstänkte att ammoniak var på jobbet, men kemiskt, den tanken visade sig vara mindre genomförbar.

"Metan har tagit en ledande roll i denna hypotes, "Sa Reinhard." När syre och metan kommer in i atmosfären, de avbryter varandra kemiskt över tiden i en komplex kedja av kemiska reaktioner. Eftersom det var extremt lite syre i luften då, det skulle ha gjort det möjligt för metan att bygga upp mycket högre nivåer än idag. "

Järn, och rostfotosyntes

Kärnan i modellen är två olika typer av fotosyntes. Men för tre miljarder år sedan den dominerande fotosyntesen vi känner till idag som pumpar ut syre kanske inte ens har funnits än.

Istället, två andra mycket primitiva bakteriella fotosyntetiska processer som sannolikt var avgörande för jordens gamla biosfär. En förvandlade järn i havet till rost, och det andra fotosyntetiserade vätet till formaldehyd.

"Modellen förlitade sig på massor av vulkanisk aktivitet som sprutade ut väte, "Sa Ozaki. Andra bakterier fermenterade formaldehyden, och andra bakterier, fortfarande, förvandlade den jästa produkten till metan.

De två fotosyntetiska processerna fungerade som klockfjädern på modellens urverk, som drog in 359 tidigare etablerade biogeokemiska reaktioner som spänner över land, hav och luft.

3, 000, 000 körningar och rasande metan

Modellen var inte den typ av simulering som producerar en videoanimation av jordens gamla biogeokemi. Istället, modellen analyserade processerna matematiskt, och utgången var siffror och grafer.

Ozaki körde modellen mer än 3 miljoner gånger, olika parametrar, och fann att om modellen innehöll båda formerna av fotosyntes som fungerar parallellt, att 24 procent av körningarna producerade tillräckligt med metan för att skapa den balans som behövs i atmosfären för att behålla växthuseffekten och behålla den gamla jorden, eller möjligen en exoplanet, tempererad.

"Det innebär cirka 24 procents sannolikhet för att den här modellen skulle ge en stabil, varmt klimat på den gamla jorden med en svag sol eller på en jordliknande exoplanet runt en dimrare stjärna, "Reinhard sa." Andra modeller som tittade på dessa fotosyntetiska ämnesomsättningar isolerat har mycket lägre sannolikhet att producera tillräckligt med metan för att hålla klimatet varmt. "

"Vi är övertygade om att detta ganska unika statistiska tillvägagångssätt innebär att du kan ta de grundläggande insikterna i denna nya modell till banken, " han sa.

Andra förklaringar till den "svaga unga solparadoxen" har varit mer katastrofala och kanske mindre regelbundna i sin dynamik. De innehåller idéer om rutinmässiga asteroidstrejker som väcker seismisk aktivitet vilket resulterar i mer metanproduktion, eller om solen som konsekvent avfyrar koronala massutstötningar mot jorden, värmer upp det.