Κοιτώντας προς το μέλλον, η NASA και άλλες διαστημικές υπηρεσίες έχουν μεγάλες ελπίδες για το πεδίο της έρευνας για τον εξωηλιακό πλανήτη. Κατά την τελευταία δεκαετία, ο αριθμός των γνωστών εξωπλανητών έφτασε τους 4.000 και πολλοί άλλοι αναμένεται να βρεθούν μόλις τεθούν σε λειτουργία τα τηλεσκόπια των επόμενων γενεών. Και με τόσους εξωπλανήτες να μελετήσουν, οι ερευνητικοί στόχοι μετατοπίστηκαν αργά από τη διαδικασία της ανακάλυψης και προς τον χαρακτηρισμό.
Δυστυχώς, οι επιστήμονες μαστίζονται ακόμη από το γεγονός ότι αυτό που θεωρούμε «κατοικήσιμη ζώνη» υπόκειται σε πολλές υποθέσεις. Αντιμετωπίζοντας αυτό, μια διεθνής ομάδα ερευνητών δημοσίευσε πρόσφατα ένα έγγραφο στο οποίο ανέφεραν πώς οι μελλοντικές έρευνες εξωπλανήτη θα μπορούσαν να φαίνονται πέρα από τα αναλογικά παραδείγματα της Γης ως ενδείξεις βιωσιμότητας και να υιοθετήσουν μια πιο περιεκτική προσέγγιση.
Η εφημερίδα, με τίτλο «Προβλέψεις για κατοικήσιμη ζώνη και πώς να τις δοκιμάσετε», εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο και υποβλήθηκε ως λευκή βίβλος στην έρευνα Decadal Astro 2020 για την αστρονομία και την αστροφυσική. Η ομάδα πίσω από την καθοδήγησε ο Ramses M. Ramirez, ερευνητής στο Earth-Life Science Institute (ELSI) και το Space Science Institute (SSI), ο οποίος ενώθηκε από συν-συγγραφείς και συνυπογράφοντες από 23 πανεπιστήμια και ιδρύματα.
Ο σκοπός της έρευνας δεκαδικών είναι να εξετάσει την προηγούμενη πρόοδο σε διάφορους τομείς έρευνας και να θέσει προτεραιότητες για την επόμενη δεκαετία. Ως εκ τούτου, η έρευνα παρέχει κρίσιμη καθοδήγηση στη NASA, το Εθνικό Ίδρυμα Διαστήματος (NSF) και το Υπουργείο Ενέργειας καθώς σχεδιάζουν τους ερευνητικούς τους στόχους για την αστρονομία και την αστροφυσική για το μέλλον.
Επί του παρόντος, πολλοί από αυτούς τους στόχους επικεντρώνονται στη μελέτη των εξωπλανητών, η οποία θα ωφεληθεί τα επόμενα χρόνια από την ανάπτυξη τηλεσκοπίων επόμενης γενιάς όπως το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) και το Διαστημικό τηλεσκόπιο υπερύθρου μεγάλου πεδίου (WFIRST), καθώς και επίγεια παρατηρητήρια όπως το εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (ELT), το τηλεσκόπιο Thirty Meter και το τηλεσκόπιο Giant Magellan (GMT).
Μία από τις πρωταρχικές προτεραιότητες της έρευνας εξωπλανητών είναι η αναζήτηση πλανητών όπου θα μπορούσε να υπάρξει εξωγήινη ζωή. Από αυτή την άποψη, οι επιστήμονες ορίζουν τους πλανήτες ως «δυνητικά κατοικήσιμους» (και επομένως άξιοι παρατηρήσεων παρακολούθησης) με βάση το κατά πόσον βρίσκονται σε τροχιά εντός των κατοικήσιμων ζωνών των αστεριών τους (HZ). Για αυτόν τον λόγο, είναι συνετό να ρίξουμε μια ματιά σε αυτό που πηγαίνει στον ορισμό ενός HZ.
Όπως έδειξαν ο Ramirez και οι συνάδελφοί του στην εφημερίδα τους, ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα με την ικανότητα εξωπλανήτη είναι το επίπεδο των υποθέσεων που γίνονται. Για να το σπάσει, οι περισσότεροι ορισμοί των HZ υποθέτουν την παρουσία νερού στην επιφάνεια, καθώς αυτός είναι ο μόνος διαλύτης που είναι γνωστό ότι φιλοξενεί τη ζωή. Αυτοί οι ίδιοι ορισμοί υποθέτουν ότι η ζωή απαιτεί έναν βραχώδη πλανήτη με τεκτονική δραστηριότητα σε τροχιά σε ένα αρκετά φωτεινό και ζεστό αστέρι.
Ωστόσο, η πρόσφατη έρευνα έχει προκαλέσει αμφιβολίες σε πολλές από αυτές τις υποθέσεις. Αυτό περιλαμβάνει μελέτες που δείχνουν πώς το ατμοσφαιρικό οξυγόνο δεν σημαίνει αυτόματα την παρουσία ζωής - ειδικά αν αυτό το οξυγόνο είναι αποτέλεσμα χημικής διάστασης και όχι φωτοσύνθεσης. Άλλες έρευνες έχουν δείξει πώς η παρουσία αερίου οξυγόνου κατά τις πρώτες περιόδους της εξέλιξης ενός πλανήτη θα μπορούσε να αποτρέψει την αύξηση των βασικών μορφών ζωής.
Επίσης, υπήρξαν πρόσφατες μελέτες που έχουν δείξει πώς η τεκτονική πλάκας μπορεί να μην είναι απαραίτητη για την εμφάνιση της ζωής και ότι οι λεγόμενοι «κόσμοι του νερού» μπορεί να μην μπορούν να στηρίξουν τη ζωή (αλλά θα μπορούσαν ακόμα). Πάνω από όλα αυτά, έχετε θεωρητικό έργο που υποδηλώνει ότι η ζωή θα μπορούσε να εξελιχθεί σε θάλασσες μεθανίου ή αμμωνίας σε άλλα ουράνια σώματα.
Το βασικό παράδειγμα εδώ είναι ο Τιτάνας του φεγγαριού του Κρόνου, που διαθέτει ένα περιβάλλον πλούσιο σε πρεβιοτικές συνθήκες και οργανική χημεία - το οποίο ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν εξωτικές μορφές ζωής. Στο τέλος, οι επιστήμονες αναζητούν γνωστούς βιοδείκτες όπως το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα επειδή συνδέονται με τη ζωή στη Γη, το μόνο γνωστό παράδειγμα ενός ζωηρού πλανήτη.
Αλλά όπως εξήγησε ο Ramirez στο Space Magazine μέσω email, αυτή η νοοτροπία (όπου τα ανάλογα της Γης θεωρούνται κατάλληλα για ζωή) εξακολουθεί να είναι γεμάτη με προβλήματα:
«Ο ορισμός της κλασικής κατοικήσιμης ζώνης είναι λανθασμένος επειδή η κατασκευή του βασίζεται κυρίως σε κλιματολογικά επιχειρήματα με επίκεντρο τη Γη που μπορεί να ισχύουν ή όχι σε άλλους δυνητικά κατοικήσιμους πλανήτες. Για παράδειγμα, υποθέτει ότι οι ατμόσφαιρες CO2 πολλαπλών bar μπορούν να υποστηριχθούν σε δυνητικά κατοικήσιμους πλανήτες κοντά στην εξωτερική άκρη της κατοικήσιμης ζώνης. Ωστόσο, τέτοια υψηλά επίπεδα CO2 είναι τοξικά για τα φυτά και τα ζώα της Γης και επομένως χωρίς καλύτερη κατανόηση των ορίων ζωής, δεν γνωρίζουμε πόσο λογική είναι αυτή η υπόθεση.
«Το κλασικό HZ υποθέτει επίσης ότι το CO2 και το H2O είναι τα βασικά αέρια θερμοκηπίου που διατηρούν δυνητικά κατοικήσιμους πλανήτες, αλλά αρκετές μελέτες τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτύξει εναλλακτικούς ορισμούς HZ χρησιμοποιώντας διαφορετικούς συνδυασμούς αερίων θερμοκηπίου, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που, αν και σχετικά ήσσονοι στη Γη, θα μπορούσαν να είναι σημαντικό για άλλους δυνητικά κατοικήσιμους πλανήτες. "
Σε μια προηγούμενη μελέτη, ο Δρ Ramirez έδειξε πώς θα μπορούσε επίσης να προκαλέσει η παρουσία αερίου μεθανίου και υδρογόνου
Ευτυχώς, αυτοί οι ορισμοί θα έχουν την ευκαιρία να δοκιμαστούν, χάρη στην ανάπτυξη τηλεσκοπίων επόμενης γενιάς. Όχι μόνο οι επιστήμονες θα μπορούν να δοκιμάσουν μερικές από τις μακροχρόνιες υποθέσεις στις οποίες βασίζονται τα HZ,
«Τα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς θα μπορούσαν να δοκιμάσουν την κατοικήσιμη ζώνη αναζητώντας μια προβλεπόμενη αύξηση της ατμοσφαιρικής πίεσης CO2 όσο πιο μακριά είναι οι δυνητικά κατοικήσιμοι πλανήτες από τα αστέρια τους. Αυτό θα δοκιμάσει επίσης εάν ο κύκλος ανθρακικού-πυριτικού άλατος, που πιστεύουν πολλοί ότι έχει διατηρήσει τον πλανήτη μας κατοικήσιμο για μεγάλο μέρος της ιστορίας του, είναι μια καθολική διαδικασία ή όχι. "
Σε αυτήν τη διαδικασία, τα πυριτικά πετρώματα μετατρέπονται σε πετρώματα άνθρακα μέσω καιρικών συνθηκών και διάβρωσης, ενώ τα πετρώματα άνθρακα μετατρέπονται σε πυριτικά πετρώματα μέσω ηφαιστειακής και γεωλογικής δραστηριότητας. Αυτός ο κύκλος διασφαλίζει τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της ατμόσφαιρας της Γης διατηρώντας τα επίπεδα CO2 σταθερά με την πάροδο του χρόνου. Απεικονίζει επίσης πώς τα τεκτονικά του νερού και των πλακών είναι απαραίτητα για τη ζωή όπως το γνωρίζουμε.
Ωστόσο, αυτός ο τύπος κύκλου μπορεί να υπάρχει μόνο σε πλανήτες που έχουν γη, ο οποίος ουσιαστικά αποκλείει τους «κόσμους του νερού». Αυτοί οι εξωπλανήτες - που μπορεί να είναι συνηθισμένοι γύρω από αστέρια τύπου Μ (κόκκινος νάνος) - πιστεύεται ότι έχουν έως και 50% νερό κατά μάζα. Με αυτήν την ποσότητα νερού στις επιφάνειές τους, οι «κόσμοι του νερού» είναι πιθανό να έχουν πυκνά στρώματα πάγου στο όριο του πυρήνα-μανδύα, εμποδίζοντας έτσι την υδροθερμική δραστηριότητα.
Ωστόσο, όπως ήδη αναφέρθηκε, υπάρχει κάποια έρευνα που δείχνει ότι αυτοί οι πλανήτες θα μπορούσαν να είναι ακόμη κατοικήσιμοι. Ενώ η αφθονία του νερού θα αποτρέψει την απορρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα από τους βράχους και θα καταστέλλει την ηφαιστειακή δραστηριότητα, οι προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι αυτοί οι πλανήτες θα μπορούσαν ακόμη να κάνουν κύκλο άνθρακα μεταξύ της ατμόσφαιρας και του ωκεανού, διατηρώντας έτσι το κλίμα σταθερό.
Αν υπάρχουν τέτοιοι τύποι ωκεανών κόσμων, λέει ο Δρ Ramirez, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να τους εντοπίσουν μέσω της χαμηλότερης πλανητικής πυκνότητας και της ατμόσφαιρας υψηλής πίεσης. Και τότε υπάρχει το θέμα των διαφόρων αερίων του θερμοκηπίου, τα οποία δεν είναι πάντα ένδειξη θερμότερων πλανητικών ατμοσφαιρών, ανάλογα με τον τύπο του αστεριού.
«Παρόλο που το μεθάνιο ζεσταίνει τον πλανήτη μας, βρήκαμε ότι το μεθάνιο ψύχει πραγματικά τις επιφάνειες των κατοικήσιμων πλανητών ζώνης σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων!» αυτός είπε. «Αν συμβαίνει αυτό, η υψηλή ατμοσφαιρική ποσότητα μεθανίου σε τέτοιους πλανήτες θα μπορούσε να σημαίνει παγωμένες συνθήκες που ίσως είναι ακατάλληλες για φιλοξενία ζωής. Θα μπορέσουμε να το παρατηρήσουμε σε πλανητικά φάσματα. "
Μιλώντας για τους κόκκινους νάνους, η συζήτηση μαίνεται για το κατά πόσον οι πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από αυτά τα αστέρια θα μπορούσαν να διατηρήσουν μια ατμόσφαιρα. Τα τελευταία χρόνια, έχουν γίνει πολλές ανακαλύψεις που υποδηλώνουν ότι οι βραχώδεις, παλιρροιακά κλειδωμένοι πλανήτες είναι συνηθισμένοι γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων, και ότι βρίσκονται σε τροχιά εντός των αντίστοιχων HZ των αστεριών τους.
Ωστόσο, η επακόλουθη έρευνα έχει ενισχύσει τη θεωρία ότι η αστάθεια των κόκκινων νάνων θα μπορούσε πιθανότατα να οδηγήσει σε ηλιακές εκλάμψεις που θα απογυμνώσουν τους πλανήτες σε τροχιά γύρω από την ατμόσφαιρα τους. Τέλος, ο Ραμίρεζ και οι συνάδελφοί του αυξάνουν την πιθανότητα να βρεθούν κατοικήσιμοι πλανήτες σε τροχιά που (μέχρι πρόσφατα) θεωρήθηκε απίθανος υποψήφιος.
Αυτά θα ήταν τα κύρια αστέρια τύπου Α-αστεριών - όπως το Sirius A, Altair και Vega - που θεωρήθηκε ότι ήταν πολύ φωτεινά και ζεστά για να είναι κατάλληλα για κατοικήσιμο. Είπε ο Δρ Ramirez για αυτή τη δυνατότητα:
«Ενδιαφέρομαι επίσης να ανακαλύψω εάν υπάρχει ζωή σε κατοικήσιμους πλανήτες ζώνης σε τροχιά Α-αστέρων. Δεν έχουν δημοσιευτεί πολλές εκτιμήσεις σχετικά με τη βιωσιμότητα των πλανητών Α-αστέρων, αλλά ορισμένες αρχιτεκτονικές επόμενης γενιάς σχεδιάζουν να τις παρατηρήσουν. Σύντομα θα μάθουμε περισσότερα για την καταλληλότητα των A-stars για τη ζωή. "
Τελικά, μελέτες όπως αυτή, που αμφισβητούν τον ορισμό της «κατοικήσιμης ζώνης», θα είναι χρήσιμες όταν οι αποστολές επόμενης γενιάς ξεκινούν επιστημονικές επιχειρήσεις. Με τα όργανα υψηλότερης ανάλυσης και πιο ευαίσθητα, θα μπορούν να δοκιμάσουν και να επικυρώσουν πολλές από τις προβλέψεις που έχουν γίνει από επιστήμονες.
Αυτές οι δοκιμές θα επιβεβαιώσουν επίσης εάν η ζωή θα μπορούσε να υπάρχει εκεί έξω μόνο όπως τη γνωρίζουμε, ή επίσης πέρα από τις παραμέτρους που θεωρούμε «σαν τη Γη». Αλλά όπως πρόσθεσε ο Ramirez, η μελέτη που διεξήγαγε αυτός και οι συνάδελφοί του υπογραμμίζει επίσης πόσο σημαντικό είναι να συνεχίσουμε να επενδύουμε στην προηγμένη τεχνολογία τηλεσκοπίου:
«Η εφημερίδα μας τονίζει επίσης τη σημασία μιας συνεχούς επένδυσης στην προηγμένη τεχνολογία τηλεσκοπίων. Πρέπει να είμαστε σε θέση να βρούμε και να χαρακτηρίζουμε όσο το δυνατόν περισσότερους κατοικήσιμους πλανήτες ζώνης εάν θέλουμε να μεγιστοποιήσουμε τις πιθανότητες να βρούμε ζωή. Ωστόσο, ελπίζω επίσης ότι η εφημερίδα μας εμπνέει τους ανθρώπους να ονειρεύονται πέρα από τα επόμενα 10 χρόνια. Πιστεύω πραγματικά ότι τελικά θα υπάρξουν αποστολές που θα είναι πολύ πιο ικανές από οτιδήποτε σχεδιάζουμε αυτήν τη στιγμή. Οι τρέχουσες προσπάθειές μας είναι μόνο η αρχή μιας πολύ πιο αφοσιωμένης προσπάθειας για το είδος μας. "
Η συνάντηση του Decadal Survey 2020 διοργανώνεται από κοινού από το Συμβούλιο Φυσικής και Αστρονομίας και το Συμβούλιο Διαστημικών Μελετών της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών και θα ακολουθήσει μια έκθεση που θα κυκλοφορήσει περίπου δύο χρόνια από τώρα.
