Βρίσκεται στην καρδιά του NASA Center for Climate Simulation (NCCS) - μέρος του Goddard Space Flight Center της NASA - είναι ο υπερ-υπολογιστής Discover, ένα σύμπλεγμα 129.000 πυρήνων επεξεργαστών που βασίζονται σε Linux. Αυτός ο υπερυπολογιστής, ο οποίος είναι ικανός να εκτελεί 6,8 petaflops (6,8 τρισεκατομμύρια) λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο, είναι επιφορτισμένος με τη λειτουργία εξελιγμένων κλιματικών μοντέλων για να προβλέψει πώς θα μοιάζει το κλίμα της Γης στο μέλλον.
Ωστόσο, το NCCS άρχισε επίσης να αφιερώνει μέρος της υπερυπολογιστικής δύναμης του Discover για να προβλέψει ποιες συνθήκες μπορεί να είναι σε οποιονδήποτε από τους πάνω από 4.000 πλανήτες που έχουν ανακαλυφθεί πέρα από το ηλιακό μας σύστημα. Όχι μόνο αυτές οι προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι πολλοί από αυτούς τους πλανήτες θα μπορούσαν να είναι κατοικήσιμοι, αλλά είναι περαιτέρω απόδειξη ότι οι ίδιες οι έννοιες μας σχετικά με τη «βιωσιμότητα» θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μια επανεξέταση.
Παρά τον τεράστιο αριθμό ανακαλύψεων εξωπλανητών που έχουν πραγματοποιηθεί την τελευταία δεκαετία, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναγκάζονται να βασίζονται σε κλιματικά μοντέλα για να καθορίσουν ποια από αυτά θα μπορούσαν να είναι «δυνητικά κατοικήσιμα». Προς το παρόν, η εξερεύνηση αυτών των πλανητών μέσω διαστημικού σκάφους είναι εντελώς ανέφικτη λόγω των τεράστιων αποστάσεων.
Όπως αναφέραμε σε ένα προηγούμενο άρθρο, θα χρειαζόταν από 19.000 έως 81.000 χρόνια για να φτάσουμε στο πλησιέστερο σύστημα αστεριών (Alpha Centauri) χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες μεθόδους και τεχνολογία. Επιπλέον, η άμεση παρατήρηση των εξωπλανητών είναι δυνατή μόνο σε σπάνιες περιπτώσεις χρησιμοποιώντας τα σημερινά τηλεσκόπια, τα οποία συνήθως περιλαμβάνουν μαζικούς πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τα αστέρια τους. Αυτοί οι πλανήτες τείνουν να είναι γίγαντες φυσικού αερίου, και ως εκ τούτου δεν είναι υποψήφιοι για κατοικησιμότητα.
Σε κάθε περίπτωση, οι αστρονόμοι έχουν βρει ότι όλοι οι πλανήτες που έχουν παρατηρηθεί πέρα από το ηλιακό μας σύστημα είναι αρκετά εκλεκτικοί στη φύση. Ως επί το πλείστον, οι 4.108 εξωπλανήτες που έχουν επιβεβαιωθεί μέχρι σήμερα ήταν είτε γίγαντες αερίου που μοιάζουν με Ποσειδώνα (1375), γίγαντες αερίων που μοιάζουν με Δία (1293) είτε Super-Earths (1273). Μόνο 161 εξωπλανήτες έχουν επίγεια φύση (γνωστός και ως «βραχώδης» ή «σαν τη Γη»), όλοι τους βρέθηκαν γύρω από αστέρια τύπου Μ (κόκκινος νάνος).
Όπως εξήγησε η Elisa Quintana - ένας αστροφυσικός της Goddard της NASA που ηγήθηκε της ομάδας που ήταν υπεύθυνη για την ανακάλυψη του Kepler-186f του 2014, του πρώτου πλανήτη σε μέγεθος γης σε κατοικήσιμη ζώνη (HZ) - εξήγησε:
«Για πολύ καιρό, οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν πραγματικά στην εύρεση συστημάτων που μοιάζουν με τον ήλιο και τη Γη. Αυτό ήταν το μόνο που γνωρίζαμε. Αλλά ανακαλύψαμε ότι υπάρχει όλη αυτή η τρελή ποικιλομορφία στους πλανήτες. Βρήκαμε πλανήτες τόσο μικρούς όσο η Σελήνη. Βρήκαμε γιγάντιους πλανήτες. Και βρήκαμε κάποια τέτοια τροχιά σε μικροσκοπικά αστέρια, γιγαντιαία αστέρια και πολλά αστέρια. "
Η ανακάλυψη των επίγειων πλανητών που περιστρέφονται στα HZ των κόκκινων νάνων ήταν αρχικά πηγή ενθουσιασμού. Όχι μόνο αυτά τα αστέρια είναι τα πιο συνηθισμένα στο Σύμπαν μας - που αντιστοιχούν μόνο στο 85% των αστεριών στον Γαλαξία μας - αλλά πολλά έχουν βρεθεί σε τροχιά γύρω από αστέρια που βρίσκονται πολύ κοντά στο Ηλιακό Σύστημα.
Αυτό περιλαμβάνει τους τρεις πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από το HZ του TRAPPIST-1 (39,46 έτη φωτός μακριά) και το Proxima b, τον πλησιέστερο εξωπλανήτη στη Γη (4,24 έτη φωτός μακριά). Δυστυχώς, πολλές μελέτες έχουν διεξαχθεί τα τελευταία χρόνια που έχουν δείξει ότι αυτοί οι πλανήτες θα δυσκολεύονταν να διατηρήσουν μια βιώσιμη ατμόσφαιρα με την πάροδο του χρόνου.
Με απλά λόγια, το γεγονός ότι είναι μικρότερα και πιο δροσερά σημαίνει ότι οι κόκκινοι νάνοι έχουν HZ που είναι πολύ πιο κοντά στις επιφάνειές τους. Αυτό σημαίνει ότι οποιοσδήποτε πλανήτης σε τροχιά με HZ ενός κόκκινου νάνου είναι πιθανό να κλειδωθεί παλιρροιακά μαζί τους, πράγμα που σημαίνει ότι μια πλευρά βλέπει συνεχώς προς το αστέρι και στο άκρο λήψης όλης της θερμότητας, της ακτινοβολίας και του ηλιακού ανέμου.
Το κατά πόσον αυτοί οι πλανήτες θα μπορούσαν να κατοικήσουν εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, όπως η παρουσία μιας πυκνής ατμόσφαιρας, η παρουσία μιας μαγνητόσφαιρας και οι κατάλληλες χημικές αφθονίες. Αντί να είναι σε θέση να δουν πλανήτες άμεσα και να εξακριβώσουν αυτά τα συστατικά για τη ζωή (γνωστές και ως βιογραφίες), οι επιστήμονες βασίζονται σε κλιματικά μοντέλα για να βοηθήσουν στην αναζήτηση «δυνητικά κατοικήσιμων» εξωπλανητών.
Σύμφωνα με τον Karl Stapelfeldt, τον επικεφαλής εξωπλανητικό επιστήμονα της NASA που εδρεύει στο Jet Propulsion Laboratory, η ικανότητα μοντελοποίησης των κλιμάτων σε άλλους πλανήτες είναι απολύτως απαραίτητη. για το μέλλον της εξερεύνησης του διαστήματος «Τα μοντέλα κάνουν συγκεκριμένες, δοκιμαστικές προβλέψεις για το τι πρέπει να δούμε», είπε. "Αυτά είναι πολύ σημαντικά για το σχεδιασμό των μελλοντικών τηλεσκοπίων μας και την παρατήρηση των στρατηγικών."
Με απλά λόγια, η μοντελοποίηση του κλίματος περιλαμβάνει τη δημιουργία μιας προσομοίωσης του κλίματος της Γης (ή ενός άλλου πλανήτη) με βάση συγκεκριμένες συνθήκες ή / και περιβαλλοντικές αλλαγές. Για χρόνια, αυτό το έργο εκτελέστηκε από τον Anthony Del Genio, έναν πρόσφατα συνταξιούχο επιστήμονα πλανητικού κλίματος στο Ινστιτούτο Goddard για Διαστημικές Μελέτες της NASA. Κατά τη διάρκεια της καριέρας του, ο Del Genio διεξήγαγε προσομοιώσεις κλίματος με τη Γη και άλλους πλανήτες (συμπεριλαμβανομένου του Proxima b).
Για να ανακεφαλαιώσουμε, το Proxima b έχει περίπου το ίδιο μέγεθος με τη Γη και τουλάχιστον 1,3 φορές μεγαλύτερο. Σε τροχιά γύρω από το αστέρι του (Proxima Centauri) μία φορά κάθε 11,2 ημέρες στη Γη και σε απόσταση 0,05 AU (5% την απόσταση μεταξύ της Γης και του Ήλιου). Σε αυτήν την απόσταση, ο πλανήτης είναι πιθανό να κλειδωθεί βαρυτικά στο αστέρι του, με τη μία πλευρά να εκτίθεται συνεχώς στην έντονη ακτινοβολία του αστεριού, ενώ η άλλη υπόκειται σε συνεχές σκοτάδι και θερμοκρασίες ψύξης.
Ωστόσο, η ομάδα του Del Genio προσομοίωσε πρόσφατα πιθανά κλίματα στο Proxima b για άλλη μια φορά για να ελέγξει πόσα θα είχαν ως αποτέλεσμα ένα ζεστό και υγρό περιβάλλον ικανό να υποστηρίξει τη ζωή. Αρκετά ενδιαφέρον, αυτές οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι πλανήτες όπως το Proxima b θα μπορούσαν πραγματικά να κατοικήσουν παρά το γεγονός ότι είναι παλιρροιακά κλειδωμένοι και όλη η ακτινοβολία από τη μία πλευρά εκτίθεται.
Για τη διεξαγωγή αυτών των προσομοιώσεων, η ομάδα του Del Genio χρησιμοποίησε τον υπερυπολογιστή Discover για να τρέξει έναν πλανητικό προσομοιωτή που ανέπτυξαν οι ίδιοι - που ονομάζεται ROCKE-3D. Αυτός ο προσομοιωτής βασίζεται σε μια έκδοση του μοντέλου Κλιματικό κλίμα που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1970 και αναβάθμισε έτσι ώστε να προσομοιώνει κλίματα σε άλλους πλανήτες, με βάση εν μέρει τα είδη των τροχιών που μπορεί να έχουν και τις ατμοσφαιρικές συνθέσεις τους.
Για κάθε προσομοίωση, η ομάδα του Del Genio διέφερε τις συνθήκες στο Proxima b για να δει πώς θα επηρέαζε το κλίμα της. Αυτό περιελάμβανε την προσαρμογή των τύπων και των ποσοτήτων αερίων θερμοκηπίων στην ατμόσφαιρά του, το βάθος, το μέγεθος και την αλατότητα των ωκεανών του, και την αναλογία γης προς νερό. Από αυτό, μπόρεσαν να δουν πώς θα κυκλοφορούσαν σύννεφα και ωκεανοί και πώς θα αλληλεπιδρούσε η ακτινοβολία από τον ήλιο του πλανήτη με την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια του Proxima b.
Αυτό που βρήκαν ήταν ότι το υποθετικό στρώμα νέφους του Proxima b θα λειτουργούσε ως ασπίδα, εκτρέποντας την ακτινοβολία του ήλιου από την επιφάνεια και μειώνοντας τη θερμοκρασία στην πλευρά του Proxima b. Αυτό συμβαδίζει με την έρευνα που πραγματοποιήθηκε από τους επιστήμονες Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) στη NASA Goddard που έδειξε πώς το Proxima b μπορούσε να σχηματίσει σύννεφα τόσο τεράστια ώστε να καλύπτουν ολόκληρο τον ουρανό.
Όπως εξήγησε ο Ravi Kopparapu, ένας πλανητικός επιστήμονας της NASA Goddard που επίσης διαμορφώνει τα πιθανά κλίματα των εξωπλανητών:
«Εάν ένας πλανήτης είναι κλειδωμένος βαρυτικά και περιστρέφεται αργά στον άξονά του, σχηματίζεται ένας κύκλος σύννεφων μπροστά από το αστέρι, δείχνοντας πάντα προς αυτόν. Αυτό οφείλεται στη δύναμη που είναι γνωστή ως το φαινόμενο Coriolis, το οποίο προκαλεί τη μεταφορά στη θέση όπου το αστέρι θερμαίνει την ατμόσφαιρα. Η μοντελοποίηση μας δείχνει ότι το Proxima b μπορεί να μοιάζει με αυτό. "
Μαζί με την κυκλοφορία των ωκεανών, αυτός ο κύκλος των νεφών θα σήμαινε επίσης ότι ο ζεστός αέρας και το νερό μπόρεσαν να μετακινηθούν στη σκοτεινή πλευρά του πλανήτη, επιτυγχάνοντας έτσι τη μεταφορά θερμότητας και κάνοντας ολόκληρο τον πλανήτη πιο φιλόξενο. «Έτσι, όχι μόνο η ατμόσφαιρα από τη νυχτερινή πλευρά δεν παγώνει, δημιουργείτε εξαρτήματα στην πλευρά της νύχτας που διατηρούν στην πραγματικότητα υγρό νερό στην επιφάνεια, παρόλο που αυτά τα μέρη δεν βλέπουν φως», δήλωσε ο Del Genio.
Εκτός από την κυκλοφορία και τη διατήρηση της θερμότητας, οι ατμόσφαιρες και τα ρεύματα των ωκεανών είναι επίσης υπεύθυνα για τη διανομή αερίων και χημικών στοιχείων που είναι απαραίτητα για τη ζωή όπως το γνωρίζουμε - π.χ. αέριο οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, κ.λπ. Αυτά είναι γνωστά ως «βιολογικές υπογραφές» δεδομένου ότι είναι είτε απαραίτητα για τη ζωή εδώ στη Γη είτε σχετίζονται με βιολογικές διεργασίες.
Ωστόσο, «όπως το γνωρίζουμε» είναι η λέξη-κλειδί εδώ. Προς το παρόν, η Γη παραμένει ο μόνος γνωστός κατοικήσιμος πλανήτης και οι διάφορες μορφές ζωής που υποστηρίζει είναι τα μόνα παραδείγματα με τα οποία γνωρίζουμε. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση ζωής πέρα από τη Γη περιορίζεται προς το παρόν στην αναζήτηση βιογραφικών υπογραφών που είναι απαραίτητες για (και σχετίζονται με γνωστές) μορφές ζωής. Αυτό ονομάζουμε «χαμηλή κρεμαστή προσέγγιση».
Επιπλέον, η Γη έχει εξελιχθεί σημαντικά τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια, όπως και οι μορφές ζωής που την έχουν ονομάσει σπίτι. Ενώ σήμερα, το αέριο οξυγόνο είναι απαραίτητο για τα πλάσματα των θηλαστικών, θα ήταν τοξικό για τα φωτοσυνθετικά βακτήρια που ευδοκιμούν σε μια ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου που υπήρχε στη Γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.
Έτσι, ενώ αυτό το είδος μοντελοποίησης δεν μπορεί να πει με βεβαιότητα εάν ένας πλανήτης κατοικείται, σίγουρα μπορεί να βοηθήσει στη μείωση της αναζήτησης, δείχνοντας ποιοι υποψήφιοι υπόσχονται στόχους για παρακολούθηση παρακολούθησης. «Ενώ η δουλειά μας δεν μπορεί να πει στους παρατηρητές εάν κάποιος πλανήτης είναι κατοικήσιμος ή όχι, μπορούμε να τους πούμε αν ένας πλανήτης χτυπάει στη μεσαία σειρά καλών υποψηφίων για περαιτέρω έρευνα», δήλωσε ο Del Genio.
Αυτό θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμο τα επόμενα χρόνια, όταν τα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς φτάνουν στο διάστημα. Αυτά περιλαμβάνουν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2021 και το διαστημικό τηλεσκόπιο υπερύθρων ευρείας περιοχής (WFIRST), το οποίο θα ξεκινήσει το 2023. Μαζί με επίγεια παρατηρητήρια όπως το εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (ELT), αυτά Τα όργανα θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να παρατηρήσουν άμεσα μικρότερους πλανήτες για πρώτη φορά.
Οι κορωνογράφοι όπως το Starshade θα κάνουν επίσης μεγάλη διαφορά πνίγοντας το φως από τα αστέρια, το οποίο αλλιώς κρύβει το φως που αντανακλάται από την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη. Αυτές και άλλες εξελίξεις σημαίνουν ότι οι αστρονόμοι θα μπορούν να μελετήσουν και την ατμόσφαιρα των βραχώδων εξωπλανητών, κάτι που θα τους επιτρέψει να πουν τελικά με σιγουριά ποιοι πλανήτες είναι «δυνητικά κατοικήσιμοι».
Φροντίστε να δείτε αυτό το κινούμενο σχέδιο για το κλίμα του Proxima b, με ευγένεια της ομάδας του Del Genio και του Διαστημικού Κέντρου Πτήσης Goddard της NASA:
