Skalista planeta krążąca w nadającej się do zamieszkania strefie gwiazdy podobnej do Słońca może wyglądać na idealne miejsce do rozwoju życia – ale nie, jeśli jest zbyt mała, aby utrzymać swoją atmosferę.
Możemy się więc zastanawiać: o ile mniej Ziemia mogła być i nadal mieć cudownie oddychającą atmosfera? Jak mała może być egzoplaneta, aby podtrzymać życie, jakie znamy?
Mając te pytania na uwadze, planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, Michelle Hill i jej współpracownicy, przeprowadziła niedawno symulację tego, co dzieje się z atmosferami skalistych światów różnej wielkości. Testowane światy były podobne do Ziemi i orbitowały w strefy mieszkalne wokół jak słońce gwiazdy. Okazuje się, że aby świat mógł utrzymać atmosferę wystarczająco długo, aby mogło na niej zaistnieć życie (co najmniej kilka miliardów lat), musi być co najmniej tak duży jak Mars.
Zawężenie poszukiwań życia
Strefa nadająca się do zamieszkania – obszar wokół gwiazdy, w którym temperatury są odpowiednie do występowania wody w stanie ciekłym na powierzchni planety – to główny obszar poszukiwań obcego życia. Jest to także trudne sąsiedztwo dla atmosfer egzoplanet, ponieważ im bliżej gwiazdy znajduje się planeta, tym częściej promieniowanie i wiatr gwiazdowy będą próbowały pozbawić atmosferę.
Dlatego Hill i jej współpracownicy przeprowadzili niedawno symulację, ile czasu potrzebowałoby skalistych, podobnych do Ziemi planet o różnych rozmiarach, znajdujących się w ekosferze gwiazdy takiej jak nasze Słońce, na utratę atmosfery. Innymi słowy, o ile mniejsza mogłaby być Ziemia lub podobna planeta i nadal utrzymywać atmosferę?
Odpowiedź okazuje się taka, że planeta utrzymująca atmosferę powinna mieć około 80% szerokości Ziemi, ale technicznie rzecz biorąc, mogłaby mieć nawet 60%. Daje to astrobiologom wskazówkę, na których planetach należy się skupić w poszukiwaniu światów nadających się do zamieszkania i oznak obcego życia.
„Mnóstwo egzoplanet stwarza interesujące wyzwanie w poszukiwaniu planet potencjalnie nadających się do zamieszkania” – napisali Hill i jej współpracownicy. „Spośród wielu celów w zamieszkałych strefach ich gwiazd, które są najlepszymi kandydatami do dalszych obserwacji w celu wykrycia biosygnaturyInnymi słowy, astrobiolodzy mają obecnie do wyboru prawie zbyt wiele planet, a teleskop nie ma wystarczająco dużo czasu, aby je wszystkie przeszukać. Czas więc zawęzić zakres poszukiwań.
Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest ustalenie, które planety najprawdopodobniej nadają się do zamieszkania – a w przypadku życia, jakie znamy, zdolność do zamieszkania oznacza posiadanie atmosfery.
Modelowanie atmosfer — i wulkanów
Hill i jej współpracownicy „Model zamieszkiwania mniejszego od Ziemi” symulują losy atmosfer wokół cyfrowych wersji Ziemi. Niektóre z symulowanych światów są dokładnie takie same jak nasz, ale mniejsze, z tym samym składem chemicznym i takimi samymi proporcjami rdzenia, płaszcza i skorupy. Inne mają nieco inną ilość węgla, większe lub mniejsze rdzenie lub inną temperaturę początkową. Model śledzi, co dzieje się z tymi światami w ciągu kilku miliardów lat, w oparciu o dwie rzeczy: jak szybko wiatr gwiazdowy i promieniowanie usuwają gaz z atmosfery planety oraz jak szybko wulkany wypompować gaz (głównie dwutlenek węgla), aby go zastąpić.
Na podstawie modelu zespół zdał sobie sprawę, że pomniejszona wersja Ziemi musi mieć co najmniej 80% szerokości prawdziwej Ziemi (0,8 promienia Ziemi), aby utrzymać atmosferę w dłuższej perspektywie. Mniejsze planety tracą gaz szybciej, niż mogą go zastąpić erupcje wulkanów.
Dzieje się tak dlatego, że mniejsze planety mają mniejszą grawitację i słabsze pola magnetyczne, dzięki którym mogą utrzymać swoje cienkie powłoki gazowe. Zwykle nie uwalniają też wystarczającej ilości gazu z wnętrza, aby zrekompensować stratę. Ich płaszcze – wirująca warstwa magmy pod skorupą – z czasem mają tendencję do uwalniania mniejszej ilości gazu wulkanicznego, a ich górne warstwy ochładzają się i twardnieją znacznie szybciej. Ten ostatni proces odcina erupcje wulkanów na znacznie wcześniejszym etapie życia planety.
Mniejsze planety przylegają do atmosfer
Zmieniając niektóre parametry Ziemi, zespołowi udało się uzyskać planety o promieniu zaledwie 0,6 promienia Ziemi, aby utrzymać stabilną atmosferę. Kluczem był węgiel: planety z większą ilością węgla w swoich płaszczach mają tendencję do uwalniania większej ilości dwutlenku węgla podczas erupcji, a to okazuje się być najważniejszym czynnikiem (poza rozmiarem) tego, czy planeta utrzyma swoją atmosferę.
„Dwutlenek węgla to ciężka cząsteczka” – napisali Hill i jej współpracownicy – „co może utrudniać utratę cząsteczki. Skupiamy się na atmosferze czystego dwutlenku węgla jako najlepszym scenariuszu retencji w atmosferze”. Oczywiście jest to tylko najlepszy scenariusz dla niektórych stosunkowo prostych form życia, więc przebieg astrobiologiczny może się różnić.
Potrzeba było o wiele ton więcej węgla niż zawiera Ziemia, aby znacząco zmienić losy atmosfery planety – ale ponieważ teoretycznie możliwe jest uformowanie się planety z tak dużą ilością węgla w jej składzie, jest to przydatna wiedza. Planety ze stosunkowo mniejszymi jądrami, a co za tym idzie, stosunkowo grubszymi płaszczami, również miały więcej szczęścia na froncie retencji w atmosferze. Począwszy od większej podaży pierwiastków radioaktywnych, które rozkładają się i uwalniają ciepło do otaczającej skały, pomogły utrzymać płaszcz w stanie stopionym, a gazy wulkaniczne unosiły się w niebo.
Pomocne jest również rozpoczęcie od chłodniejszego płaszcza – co brzmi zaskakująco. Można by pomyśleć, że cieplejszy płaszcz z większym prawdopodobieństwem wypluwa gazy wulkaniczne do atmosfery. Jednak chłodniejszy płaszcz potrzebuje więcej czasu, aby zacząć na poważnie erupcję, co oznacza, że planeta będzie mogła utrzymać swoje zbiorniki gazów, dopóki jej gwiazda nie będzie starsza i bardziej osiadła.
Nowonarodzone gwiazdy są podatne na gwałtowne wybuchy promieniowania i plazmy, które wymiatają gaz wulkaniczny tak szybko, jak wybuchł. Dzięki chłodniejszemu płaszczowi i późniejszym erupcjom planeta może zatrzymać więcej wypalonego gazu.
Druga szansa dla pozbawionych powietrza światów
Wciąż jest nadzieja na życie w mniejszych światach.
Nawet planety, które całkowicie stracą swoją początkową atmosferę – zamiast stopniowo zastępować ją dwutlenkiem węgla i metanem – mogą otrzymać drugą szansę na zbudowanie nowej atmosfery.
Hill i jej współpracownicy sugerują, że jednym ze sposobów odzyskania przez planetę utraconej atmosfery mogą być uderzenia komet i asteroid, które mogą dostarczyć lotne pierwiastki, takie jak wodór, tlen i węgiel. Pierwiastki te mogą łączyć się, tworząc wszelkiego rodzaju gazy atmosferyczne.
Takie uderzenia mogą być szczególnie pomocne, jeśli mają miejsce w późniejszym okresie życia układu gwiezdnego, na przykład po tym, jak gwiazda minęła młodzieńczą fazę intensywnych rozbłysków.
„Chociaż mniejsze planety stoją przed większymi wyzwaniami związanymi z utrzymaniem atmosfery, nasz model sugeruje, że mogą one wytworzyć atmosferę w odpowiednich warunkach” – napisała Hill i jej współpracownicy, dlatego „nawet tych, które początkowo utraciły atmosferę, nie należy od razu odrzucać jako światów potencjalnie nadających się do zamieszkania”.
Co dalej?
Przyszłe symulacje z wykorzystaniem modelu zamieszkiwania mniejszego od Ziemi mogłyby badać światy wokół mniejszych, chłodniejszych gwiazd zwanych czerwonymi karłami – gwiazd takich jak TRAPPIST-1, który jest domem dla co najmniej siedmiu planet skalistych, z czego trzy znajdują się w strefie zamieszkiwalnej. Gwiazdy te stanowią około 75% gwiazd w naszej galaktyce, a ich stosunkowo słabe światło ułatwia teleskopom takim jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) do rejestrowania obrazów światła gwiazd filtrującego przez atmosfery planet przechodzących między Ziemią a gwiazdami macierzystymi.
Hill i jej współpracownicy mają także nadzieję zbadać, co dzieje się z atmosferami wokół planet złączonych pływowo lub planet, których siły pływowe sprawiają, że ich wnętrze jest gorące i aktywne sejsmicznie, podobnie jak w przypadku księżyca Jowisza Io.
Naukowcy opublikowali swoje prace w czerwcu w Dziennik nauk planetarnych.
