Võimalikult elamiskõlblike eksoplaneetide jahtimisel on astronoomide üks olulisemaid asju see, kas eksoplaneedi kandidaadid tiirlevad tähe asustatavas tsoonis või mitte. See on vajalik vedela vee eksisteerimiseks planeedi pinnal, mis on omakorda elu eeltingimus, nagu me seda teame. Uute eksoplaneetide avastamise käigus on teadlased aga saanud teadlikuks ekstreemsest juhtumist, mida nimetatakse veemaailmadeks.
Veemaailmad on sisuliselt planeedid, mille massist kuni 50% moodustab vesi, mille tulemuseks on ookeanid, mille sügavus võiks olla sadu kilomeetreid. Princetoni, Michigani ülikooli ja Harvardi astrofüüsikute meeskonna uue uuringu kohaselt ei pruugi veemaailmad olla võimelised oma vee peal väga kaua riputama. Need leiud võivad olla kosmose kaelas elavate planeetide jahipidamisel tohutu tähtsusega.
Viimane uuring pealkirjaga “Veemaailma dehüdratsioon atmosfääri kaotuste kaudu” ilmus hiljuti ajakirjas The Astrophysical Journal Letters. Princetoni ülikooli astrofüüsikaliste teaduste osakonnast Chuanfei Dongi juhitud meeskond viis läbi arvutisimulatsioone, mis võtsid arvesse, millistes tingimustes veemaailmad alluvad.
Seda uuringut motiveeris suuresti see, et viimastel aastatel on väikese massiga, M-tüüpi (punane kääbus) tähesüsteemide ümber tehtud eksoplaneedi avastusi. Need planeedid on leitud olevat võrreldavad suurusega Maaga - see näitas, et need on tõenäoliselt maapealsed (s.o kivised). Lisaks leiti, et paljud neist planeetidest - näiteks Proxima b ja kolm TRAPPIST-1 süsteemi kuuluvat planeeti - tiirlevad tähtede elamispiirkondades.
Hilisemad uuringud näitasid siiski, et Proxima b ja teised punaseid kääbustähti tiirlevad kivised planeedid võivad tegelikult olla veemaailmad. See põhines astronoomiliste uuringute käigus saadud massihinnangutel ja sisseehitatud eeldustel, et sellised planeedid olid oma olemuselt kivised ja neil polnud tohutut atmosfääri. Samal ajal on tehtud arvukalt uuringuid, mis on seadnud kahtluse alla, kas need planeedid suudaksid oma vett kinni hoida või mitte.
Põhimõtteliselt taandub see kõik tähetüübile ja planeetide orbitaalparameetritele. Pikaealised punased kääbustähed on meie Päikesega võrreldes teadaolevalt varieeruvad ja ebastabiilsed, mille tulemuseks on perioodilised äratused, mis aja jooksul planeedi atmosfääri eemaldavad. Lisaks on punase kääbuse asustatavas tsoonis tiirlevad planeedid tõenäoliselt loodete poolt lukus, mis tähendab, et üks planeedi külg on pidevalt tähe kiirguse käes.
Seetõttu keskenduvad teadlased sellele, kui hästi suudavad eri tüüpi tähesüsteemide eksoplaneedid nende atmosfääri hoida. Nagu dr Dong rääkis ajakirjale Space Magazine:
„On õiglane öelda, et atmosfääri olemasolu peetakse üheks planeedi asustatavuse tingimuseks. Sellegipoolest on elamiskõlblikkuse mõiste keeruline, hõlmates hulgaliselt tegureid. Seega atmosfäärist üksi ei piisa elamiskõlblikkuse tagamiseks, kuid seda võib pidada planeedi elamiskõlblikuks koostisosaks. ”
Testimaks, kas veemaailm suudab atmosfääri hoida või mitte, viis meeskond läbi arvutisimulatsioone, mis võtsid arvesse mitmesuguseid võimalikke stsenaariume. Nende hulka kuulusid täheliste magnetväljade, koronaalmassi väljutamise ning atmosfääri ionisatsiooni ja väljutamise mõju erinevat tüüpi tähtedele - sealhulgas G-tüüpi tähed (nagu meie Päike) ja M-tüüpi tähed (nagu Proxima Centauri ja TRAPPIST-1).
Kuna need mõjud arvestati, leidsid dr Dong ja tema kolleegid ulatusliku mudeli, mis simuleeris eksoplaneedi atmosfääri kestvust. Nagu ta seda seletas:
„Töötasime välja uue mitmevedeliku magnetohüdrodünaamilise mudeli. Mudel simuleeris nii ionosfääri kui ka magnetosfääri tervikuna. Dipoolse magnetvälja olemasolu tõttu ei saa tähetuul atmosfääri otse minema pühkida (nagu Marsil, kuna puudub globaalne dipoolne magnetväli), selle asemel põhjustas atmosfääri ioonikadu polaartuul.
„Elektronid on vähem massiivsed kui nende lähteioonid ja kiirendatakse seetõttu kergemini planeedi põgenemiskiirusele ja sellest kaugemale. See eraldumine põgenevate väikese massiga elektronide ja oluliselt raskemate positiivse laenguga ioonide vahel loob polarisatsiooni elektrivälja. See elektriväli omakorda tõmbab positiivselt laetud ioone mööda põgenevate elektronide taha polaarkorkide atmosfäärist välja. "
Nad leidsid, et nende arvutisimulatsioonid olid kooskõlas praeguse Maa-Päikese süsteemiga. Mõnedes äärmuslikes võimalustes - näiteks M-tüüpi tähtede ümber olevad planeedid - on olukord aga väga erinev ja põgenemiskiirus võib olla tuhat korda suurem või suurem. Tulemus tähendab, et isegi veemaailm, kui see tiirleb ümber punase kääbustähe, võib atmosfääri kaotada umbes miljard aastat pärast giga aastat (Gyr).
Arvestades, et elu, nagu me teame, kulus selle arenguks umbes 4,5 miljardit aastat, on miljard aastat suhteliselt lühike aken. Tegelikult, nagu dr Dong selgitas, näitavad need tulemused, et M-tüüpi tähti tiirlevatel planeetidel on elu arendamiseks kõva surve:
„Meie tulemused näitavad, et ookeani planeedid (mis tiirlevad ümber Päikesetaolise tähe) säilitavad oma atmosfääri palju kauem kui Gyri ajakava, kuna ioonide põgenemiskiirused on liiga madalad, seetõttu võimaldab see neil planeetidel elu pikemat kestust tekitada. ja arenevad keerukuse mõttes. Seevastu M-kääbuseid tiirlevate eksoplaneetide korral võisid nende ookeanid Güüri aja jooksul kahaneda intensiivsemate osakeste ja kiirguskeskkonna tõttu, mida eksoplaneedid kogevad läheduses elavates tsoonides. Kui atmosfääri ammendumine toimub vähem kui Gyr, võib see osutuda problemaatiliseks planeedi elu päritolu (abiogenees) jaoks. ”
Need tulemused seavad taaskord kahtluse alla punaste kääbustähtede süsteemide võimaliku kasutatavuse. Varem on teadlased väitnud, et punaste kääbustähtede pikaealisus, mis võib oma põhijärjestuses püsida kuni 10 triljonit aastat või kauem, muudab need parimaks kandidaadiks elamiskõlblike eksoplaneetide leidmiseks. Näib, et nende tähtede stabiilsus ja viis, kuidas nad tõenäoliselt atmosfääri planeete eemaldavad, näitavad teisiti.
Sellised uuringud, nagu käesolev, on seetõttu väga olulised, kuna need aitavad välja selgitada, kui kaua võiks punase kääbustähe ümber potentsiaalselt asustatav planeet jääda elamiskõlblikuks. Dong on näidanud:
„Arvestades atmosfääri kadude olulisust planeetide asustatavuses, on olnud suur huvi selliste teleskoopide, nagu eelseisva James Webbi kosmoseteleskoobi (JWST) kasutamise vastu, et teha kindlaks, kas neil planeetidel on atmosfäär ja kui jah, siis milline on nende koostis . Eeldatakse, et JWST peaks olema võimeline neid keskkondi (kui need on olemas) iseloomustama, kuid põgenemiskiiruse täpne kvantifitseerimine nõuab palju suuremat täpsust ja lähitulevikus ei pruugi see olla teostatav. ”
Uuring on märkimisväärne ka meie arusaamise osas Päikesesüsteemist ja selle arengust. Korraga on teadlased julgenud arvata, et nii Maa kui ka Veenus võisid olla veemaailmad. Kuidas nad muutsid ülemineku väga vesiseks tänapäevaks - Veenuse puhul kuiv ja põrgulik; ja Maa puhul on mitme mandri olemasolu - see on väga oluline küsimus.
Tulevikus on oodata üksikasjalikumaid uuringuid, mis võiksid nendele konkureerivatele teooriatele valgust anda. Kui James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) 2018. aasta kevadel kasutusele võetakse, kasutab ta oma võimsaid infrapuna võimeid lähedalasuvate punaste kääbuste ümber olevate planeetide uurimiseks, Proxima b on üks neist. See, mida sellest ja teistest kaugetest eksoplaneetidest õpime, on pikk tee meie arusaamise teavitamiseni sellest, kuidas arenes ka meie enda päikesesüsteem.
