Όταν πρόκειται για αναζήτηση κόσμων που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν την εξωγήινη ζωή, οι επιστήμονες στηρίζονται επί του παρόντος στην προσέγγιση «χαμηλών κρεμώντας φρούτων». Δεδομένου ότι γνωρίζουμε μόνο ένα σύνολο συνθηκών υπό τις οποίες η ζωή μπορεί να ευδοκιμήσει - δηλαδή αυτό που έχουμε εδώ στη Γη - είναι λογικό να αναζητούμε κόσμους που έχουν αυτές τις ίδιες συνθήκες. Αυτά περιλαμβάνουν την τοποθέτηση εντός της κατοικήσιμης ζώνης ενός αστεριού, τη σταθερή ατμόσφαιρα και τη δυνατότητα διατήρησης υγρού νερού στην επιφάνεια.
Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες βασίστηκαν σε μεθόδους που καθιστούν πολύ δύσκολη την ανίχνευση υδρατμών στους επίγειους πλανήτες της ατμόσφαιρας. Αλλά χάρη σε μια νέα μελέτη με επικεφαλής την Yuka Fujii από το Ινστιτούτο Διαστημικών Μελετών Goddard της NASA (GISS), η οποία ενδέχεται να αλλάξει. Χρησιμοποιώντας ένα νέο τρισδιάστατο μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τα παγκόσμια μοτίβα κυκλοφορίας, αυτή η μελέτη δείχνει επίσης ότι οι κατοικήσιμοι εξωπλανήτες μπορεί να είναι πιο συνηθισμένοι από ό, τι νομίζαμε.
Η μελέτη, με τίτλο «Υγρό-άνω ατμόσφαιρες που οδηγούνται από NIR των συγχρονικά περιστρεφόμενων επίγειων εξωπλανητών», πρόσφατα εμφανίστηκε στο Η Αστροφυσική Εφημερίδα. Εκτός από τον Δρ Fujii, που είναι επίσης μέλος του Ινστιτούτου Επιστήμης Γης-Ζωής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο, η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε τον Anthony D. Del Genio (GISS) και τον David S. Amundsen (Πανεπιστήμιο GISS και Κολούμπια).
Με απλά λόγια, το υγρό νερό είναι απαραίτητο για τη ζωή όπως το γνωρίζουμε. Εάν ένας πλανήτης δεν έχει αρκετά ζεστή ατμόσφαιρα για να διατηρήσει υγρό νερό στην επιφάνειά του για αρκετό χρονικό διάστημα (με τάξη δισεκατομμυρίων ετών), τότε είναι απίθανο η ζωή να μπορεί να αναδυθεί και να εξελιχθεί. Εάν ένας πλανήτης είναι πολύ μακριά από το αστέρι του, τα επιφανειακά του ύδατα θα παγώσουν. Εάν είναι πολύ κοντά, τα επιφανειακά του ύδατα θα εξατμιστούν και θα χαθούν στο διάστημα.
Ενώ το νερό έχει εντοπιστεί στην ατμόσφαιρα των εξωπλανητών πριν, σε όλες τις περιπτώσεις, οι πλανήτες ήταν τεράστιοι γίγαντες αερίου που περιστρέφονταν πολύ κοντά στα αστέρια τους. (γνωστός και ως "Hot Jupiters"). Όπως αναφέρει η Fujii και οι συνάδελφοί της στη μελέτη τους:
«Αν και έχουν εντοπιστεί υπογραφές H2O στην ατμόσφαιρα των καυτών Δία, η ανίχνευση μοριακών υπογραφών, συμπεριλαμβανομένου του H2O, σε εύκρατους επίγειους πλανήτες είναι εξαιρετικά δύσκολη, λόγω της μικρής πλανητικής ακτίνας και του μικρού ύψους κλίμακας (λόγω της χαμηλότερης θερμοκρασίας και πιθανώς μεγαλύτερου μέσου όρου) μοριακό βάρος)."
Όταν πρόκειται για χερσαίους (δηλαδή βραχώδεις) εξωπλανήτες, προηγούμενες μελέτες αναγκάστηκαν να βασίζονται σε μονοδιάστατα μοντέλα για τον υπολογισμό της παρουσίας του νερού. Αυτό συνίστατο στη μέτρηση της απώλειας υδρογόνου, όπου οι υδρατμοί στη στρατόσφαιρα διασπώνται σε υδρογόνο και οξυγόνο από την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Μετρώντας το ρυθμό με τον οποίο το υδρογόνο χάνεται στο διάστημα, οι επιστήμονες θα εκτιμήσουν την ποσότητα υγρού νερού που εξακολουθεί να υπάρχει στην επιφάνεια.
Ωστόσο, όπως εξηγεί ο Δρ Fujii και οι συνάδελφοί της, τέτοια μοντέλα βασίζονται σε διάφορες υποθέσεις που δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν, οι οποίες περιλαμβάνουν την παγκόσμια μεταφορά θερμότητας και υδρατμών, καθώς και τις επιπτώσεις των νεφών. Βασικά, τα προηγούμενα μοντέλα προέβλεπαν ότι για να φτάσουν οι υδρατμοί στη στρατόσφαιρα, οι μακροχρόνιες επιφανειακές θερμοκρασίες σε αυτούς τους εξωπλανήτες θα έπρεπε να είναι πάνω από 66 ° C (150 ° F) υψηλότερες από αυτές που βιώνουμε εδώ στη Γη.
Αυτές οι θερμοκρασίες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ισχυρές καταιγίδες στην επιφάνεια. Ωστόσο, αυτές οι καταιγίδες δεν θα μπορούσαν να είναι ο λόγος που το νερό φτάνει στη στρατόσφαιρα όταν πρόκειται για αργούς περιστρεφόμενους πλανήτες που εισέρχονται σε μια υγρή κατάσταση θερμοκηπίου - όπου οι υδρατμοί εντείνουν τη θερμότητα. Οι πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τα γονικά τους αστέρια είναι γνωστό ότι έχουν αργή περιστροφή ή ότι είναι κλειδωμένοι με παλίρροια με τους πλανήτες τους, καθιστώντας έτσι απίθανη την καταιγίδα.
Αυτό συμβαίνει αρκετά συχνά για τους επίγειους πλανήτες που βρίσκονται γύρω από αστέρια χαμηλής μάζας, εξαιρετικά δροσερά, τύπου Μ (κόκκινος νάνος). Για αυτούς τους πλανήτες, η εγγύτητά τους με το αστέρι του ξενιστή τους σημαίνει ότι η βαρυτική επιρροή θα είναι αρκετά ισχυρή για να επιβραδύνει ή να σταματήσει εντελώς την περιστροφή τους. Όταν συμβεί αυτό, σχηματίζονται πυκνά σύννεφα στην άκρη του πλανήτη, προστατεύοντάς το από το μεγάλο μέρος του φωτός του αστεριού.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι, ενώ αυτό θα μπορούσε να κρατήσει την ημέρα δροσερή και να αποτρέψει την αύξηση των υδρατμών, η ποσότητα της ακτινοβολίας κοντά στο υπέρυθρο (NIR) θα μπορούσε να παράσχει αρκετή θερμότητα για να κάνει έναν πλανήτη να εισέλθει σε υγρή κατάσταση θερμοκηπίου. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τον τύπο Μ και άλλα δροσερά αστέρια νάνων, τα οποία είναι γνωστό ότι παράγουν περισσότερα με τον τρόπο NIR. Καθώς αυτή η ακτινοβολία θερμαίνει τα σύννεφα, οι υδρατμοί θα ανεβαίνουν στη στρατόσφαιρα.
Για να το αντιμετωπίσει αυτό, η Fujii και η ομάδα της βασίστηκαν σε τρισδιάστατα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας (GCMs) που ενσωματώνουν την ατμοσφαιρική κυκλοφορία και την κλιματική ετερογένεια. Για χάρη του μοντέλου τους, η ομάδα ξεκίνησε με έναν πλανήτη που είχε μια γήινη ατμόσφαιρα και καλύφθηκε εξ ολοκλήρου από ωκεανούς. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να δει με σαφήνεια πώς οι παραλλαγές σε απόσταση από διαφορετικούς τύπους αστεριών θα επηρέαζαν τις συνθήκες στις επιφάνειες των πλανητών.
Αυτές οι υποθέσεις επέτρεψαν στην ομάδα να δει με σαφήνεια πώς η αλλαγή της τροχιακής απόστασης και του τύπου της αστρικής ακτινοβολίας επηρέασε την ποσότητα των υδρατμών στη στρατόσφαιρα. Όπως εξήγησε ο Δρ Fujii σε δελτίο τύπου της NASA:
«Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο που προσομοιώνει πιο ρεαλιστικά τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, ανακαλύψαμε μια νέα διαδικασία που ελέγχει τη βιωσιμότητα των εξωπλανητών και θα μας καθοδηγήσει στον εντοπισμό υποψηφίων για περαιτέρω μελέτη… Βρήκαμε έναν σημαντικό ρόλο για τον τύπο της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα αστέρι και την επίδρασή του έχει στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία ενός εξωπλανήτη για να κάνει την υγρή κατάσταση του θερμοκηπίου. "
Στο τέλος, το νέο μοντέλο της ομάδας έδειξε ότι, δεδομένου ότι το αστέρι χαμηλής μάζας εκπέμπει το μεγαλύτερο μέρος του φωτός τους σε μήκη κύματος NIR, μια υγρή κατάσταση θερμοκηπίου θα οδηγήσει σε πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω τους. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα συνθήκες στις επιφάνειές τους που είναι συγκρίσιμες με τις εμπειρίες της Γης στις τροπικές περιοχές, όπου οι συνθήκες είναι ζεστές και υγρές, αντί για ζεστές και ξηρές.
Επιπλέον, το μοντέλο τους έδειξε ότι οι διεργασίες που οδηγούνται από NIR αύξησαν σταδιακά την υγρασία στη στρατόσφαιρα, σε σημείο που οι εξωπλανήτες σε τροχιά πιο κοντά στα αστέρια τους θα μπορούσαν να παραμείνουν κατοικήσιμοι. Αυτή η νέα προσέγγιση για την εκτίμηση της δυνητικής βιωσιμότητας θα επιτρέψει στους αστρονόμους να προσομοιώσουν την κυκλοφορία των πλανητικών ατμοσφαιρών και τα ειδικά χαρακτηριστικά αυτής της κυκλοφορίας, κάτι που δεν μπορούν να κάνουν τα μονοδιάστατα μοντέλα.
Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να αξιολογήσει πώς οι παραλλαγές στα πλανητικά χαρακτηριστικά - όπως η βαρύτητα, το μέγεθος, η ατμοσφαιρική σύνθεση και η επιφανειακή πίεση - θα μπορούσαν να επηρεάσουν την κυκλοφορία των υδρατμών και τη βιωσιμότητα. Αυτό, μαζί με το τρισδιάστατο μοντέλο τους που λαμβάνει υπόψη τα πλανητικά πρότυπα κυκλοφορίας, θα επιτρέψει στους αστρονόμους να προσδιορίσουν τη δυνητική βιωσιμότητα των απομακρυσμένων πλανητών με μεγαλύτερη ακρίβεια. Όπως ανέφερε ο Anthony Del Genio:
«Εφόσον γνωρίζουμε τη θερμοκρασία του αστεριού, μπορούμε να εκτιμήσουμε εάν οι πλανήτες κοντά στα αστέρια τους έχουν τη δυνατότητα να βρίσκονται στην υγρή κατάσταση του θερμοκηπίου. Η τρέχουσα τεχνολογία θα ωθηθεί στο όριο για να ανιχνεύσει μικρές ποσότητες υδρατμών στην ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη. Εάν υπάρχει αρκετό νερό για να ανιχνευθεί, αυτό σημαίνει πιθανώς ότι ο πλανήτης βρίσκεται στην υγρή κατάσταση του θερμοκηπίου. "
Πέρα από την προσφορά στους αστρονόμους μιας πιο ολοκληρωμένης μεθόδου για τον προσδιορισμό της βιωσιμότητας του εξωπλανήτη, αυτή η μελέτη είναι επίσης καλά νέα για τους κυνηγούς εξωπλανητών που ελπίζουν να βρουν κατοικήσιμους πλανήτες γύρω από αστέρια τύπου Μ. Τα αστέρια τύπου Μ χαμηλής μάζας, εξαιρετικά δροσερά, είναι το πιο συνηθισμένο αστέρι στο Σύμπαν, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 75% όλων των αστεριών στον Γαλαξία μας. Γνωρίζοντας ότι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν κατοικήσιμους εξωπλανήτες αυξάνει σημαντικά τις πιθανότητες εύρεσης ενός.
Επιπλέον, αυτή η μελέτη είναι ΠΟΛΥ καλά νέα λόγω της πρόσφατης έρευνας που έχει δημιουργήσει σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την ικανότητα των αστεριών τύπου Μ να φιλοξενούν κατοικήσιμους πλανήτες. Αυτή η έρευνα πραγματοποιήθηκε ως απάντηση στους πολλούς χερσαίους πλανήτες που έχουν ανακαλυφθεί γύρω από τους κοντινούς κόκκινους νάνους τα τελευταία χρόνια. Αυτό που αποκάλυψαν ήταν ότι, γενικά, τα κόκκινα αστέρια νάνων βιώνουν πάρα πολύ φωτοβολίδα και θα μπορούσαν να απογυμνώσουν τους αντίστοιχους πλανήτες της ατμόσφαιρας τους.
Αυτά περιλαμβάνουν το σύστημα 7 πλανητών TRAPPIST-1 (τρία από τα οποία βρίσκονται στην κατοικήσιμη ζώνη του αστεριού) και τον πλησιέστερο εξωπλανήτη στο Ηλιακό Σύστημα, Proxima b. Ο τεράστιος αριθμός πλανητών που μοιάζουν με τη Γη που ανακαλύφθηκαν γύρω από αστέρια τύπου Μ, σε συνδυασμό με τη φυσική μακροζωία αυτής της κατηγορίας αστεριών, έχει οδηγήσει πολλούς στην αστροφυσική κοινότητα να επιχειρήσουν ότι τα κόκκινα αστέρια νάνων μπορεί να είναι το πιο πιθανό μέρος για να βρουν κατοικήσιμους εξωπλανήτες.
Με αυτήν την τελευταία μελέτη, η οποία δείχνει ότι αυτοί οι πλανήτες θα μπορούσαν να κατοικήσουν τελικά, φαίνεται ότι η μπάλα είναι πραγματικά πίσω στο γήπεδο!
