In de afgelopen decennia zijn duizenden extra-zonneplaneten ontdekt in ons sterrenstelsel. Op 28 juli 2018 zijn er in totaal 3.374 extra-zonneplaneten bevestigd in 2.814 planetaire systemen. Hoewel de meeste van deze planeten gasreuzen waren, was een toenemend aantal aardse (d.w.z. rotsachtige) aard en bleken ze in een baan rond de respectieve bewoonbare zones (HZ) van hun sterren te cirkelen.
Zoals het geval van het zonnestelsel laat zien, hoeven HZ's echter niet te betekenen dat een planeet het leven kan ondersteunen. Hoewel Venus en Mars zich aan de binnen- en buitenrand van de HZ van de zon (respectievelijk) bevinden, is geen van beide in staat het leven op het oppervlak te ondersteunen. En aangezien er steeds meer potentieel bewoonbare planeten worden ontdekt, suggereert een nieuwe studie dat het misschien tijd is om onze definitie van bewoonbare zones te verfijnen.
De studie, getiteld "Een meer uitgebreide bewoonbare zone voor het vinden van leven op andere planeten", verscheen onlangs online. De studie werd uitgevoerd door Dr. Ramses M. Ramirez, een onderzoekswetenschapper bij het Earth-Life Science Institute van het Tokyo Institute of Technology. Dr. Ramirez is jarenlang betrokken geweest bij de studie van potentieel bewoonbare werelden en heeft klimaatmodellen ontwikkeld om de processen te beoordelen die planeten bewoonbaar maken.
Zoals Dr. Ramirez in zijn onderzoek aangaf, is de meest algemene definitie van een bewoonbare zone het cirkelvormige gebied rond een ster waar oppervlaktetemperaturen op een baanend lichaam voldoende zouden zijn om water in vloeibare toestand te houden. Dit alleen betekent echter niet dat een planeet bewoonbaar is en er moet rekening worden gehouden met aanvullende overwegingen om te bepalen of het leven daar echt zou kunnen bestaan. Dr. Ramirez vertelde Space Magazine via e-mail:
“De meest populaire incarnatie van de HZ is de klassieke HZ. Deze klassieke definitie gaat ervan uit dat de belangrijkste broeikasgassen in potentieel bewoonbare planeten kooldioxide en waterdamp zijn. Het veronderstelt ook dat de bewoonbaarheid op dergelijke planeten wordt ondersteund door de carbonaat-silicaatcyclus, zoals het geval is voor de aarde. Op onze planeet wordt de carbonaat-silicaatcyclus aangedreven door platentektoniek.
“De carbonaat-silicaatcyclus reguleert de overdracht van kooldioxide tussen de atmosfeer, het oppervlak en het binnenste van de aarde. Het werkt als een planetaire thermostaat over lange tijdschalen en zorgt ervoor dat er niet teveel CO2 in de atmosfeer (de planeet wordt te warm) of te weinig (de planeet wordt te koud). De klassieke HZ gaat er (typisch) ook van uit dat bewoonbare planeten beschikken over totale waterinventarissen (bijvoorbeeld totaal water in de oceanen en zeeën) die qua grootte vergelijkbaar zijn met die op aarde. ”
Dit is wat kan worden aangeduid als de "laaghangende vrucht" -benadering, waarbij wetenschappers hebben gezocht naar tekenen van bewoonbaarheid op basis van waar wij als mensen het meest bekend mee zijn. Aangezien het enige voorbeeld van bewoonbaarheid planeet Aarde is, zijn exoplaneetstudies gericht op het vinden van planeten die "aardachtig" zijn qua samenstelling (d.w.z. rotsachtig), baan en grootte.
De laatste jaren wordt deze definitie echter aangevochten door nieuwere studies. Omdat exoplaneetonderzoek niet alleen het bestaan van lichamen rond andere sterren detecteerde en bevestigde, maar ook karakterisering betrad, zijn er nieuwere formuleringen van HZ's ontstaan die hebben geprobeerd de diversiteit van potentieel bewoonbare werelden vast te leggen.
Zoals Dr. Ramirez uitlegde, hebben deze nieuwere formuleringen de traditionele opvattingen van HZ's aangevuld door te bedenken dat bewoonbare planeten verschillende atmosferische composities kunnen hebben:
“Ze beschouwen bijvoorbeeld de invloed van extra broeikasgassen, zoals CH4 en H2, die beide belangrijk werden geacht voor vroege omstandigheden op zowel de aarde als Mars. Door de toevoeging van deze gassen wordt de bewoonbare zone breder dan de klassieke HZ-definitie zou voorspellen. Dit is geweldig, omdat planeten waarvan wordt gedacht dat ze zich buiten de HZ bevinden, zoals TRAPPIST-1h, zich er nu misschien in bevinden. Er wordt ook beweerd dat planeten met een dichte CO2-CH4-atmosfeer nabij de buitenrand van de HZ van warmere sterren bewoond kunnen zijn omdat het moeilijk is om dergelijke atmosferen in stand te houden zonder de aanwezigheid van leven. ”
Eén zo'n studie werd uitgevoerd door Dr. Ramirez en Lisa Kaltenegger, universitair hoofddocent aan het Carl Sagan Institute aan de Cornell University. Volgens een paper dat ze in 2017 produceerden, verscheen in de Astrophysical Journal Letters,exoplanetenjagers zouden planeten kunnen vinden die ooit bewoonbaar zouden worden op basis van de aanwezigheid van vulkanische activiteit - die zou kunnen worden opgemerkt door de aanwezigheid van waterstofgas (H2) in hun atmosfeer.
Deze theorie is een natuurlijk verlengstuk van de zoektocht naar 'aarde-achtige' omstandigheden, die van mening is dat de atmosfeer van de aarde niet altijd zo was als nu. Kortom, planetaire wetenschappers theoretiseren dat de vroege atmosfeer van de aarde miljarden jaren geleden een overvloedige toevoer van waterstofgas had (H2) als gevolg van vulkanische ontgassing en interactie tussen waterstof- en stikstofmoleculen in deze atmosfeer hield de aarde lang genoeg warm om zich te ontwikkelen.
In het geval van de aarde ontsnapte deze waterstof uiteindelijk de ruimte in, waarvan wordt aangenomen dat dit het geval is voor alle terrestrische planeten. Op een planeet waar er voldoende vulkanische activiteit is, kan de aanwezigheid van waterstofgas in de atmosfeer worden gehandhaafd, waardoor een broeikaseffect mogelijk wordt dat hun oppervlakken warm houdt. In dit opzicht zou de aanwezigheid van waterstofgas in de atmosfeer van een planeet de HZ van een ster kunnen verlengen.
Volgens Ramirez is er ook de factor tijd, waarmee normaal gesproken geen rekening wordt gehouden bij de beoordeling van HZ's. Kortom, sterren evolueren in de loop van de tijd en geven verschillende stralingsniveaus af op basis van hun leeftijd. Dit heeft als effect dat het verandert waar de HZ van een ster zich bevindt, die mogelijk geen planeet omvat die momenteel wordt bestudeerd. Zoals Ramirez uitlegde:
“[Het] is niet aangetoond dat M-dwergen (echt coole sterren) zo helder en heet zijn wanneer ze voor het eerst worden gevormd, dat ze alle jonge planeten die later vastbesloten zijn in de klassieke HZ te verdrogen, kunnen verdrogen. Dit onderstreept het punt dat alleen al omdat een planeet zich momenteel in de bewoonbare zone bevindt, dit niet wil zeggen dat hij eigenlijk bewoonbaar is (laat staan bewoond). We moeten op deze gevallen kunnen letten.
Ten slotte is er de vraag wat voor soort sterrenstelsel-astronomen hebben waargenomen tijdens de jacht op exoplaneten. Terwijl veel onderzoeken G-type gele dwergster (wat onze zon is) hebben onderzocht, is veel onderzoek de laatste tijd gericht op M-type (rode dwerg) sterren vanwege hun lange levensduur en het feit dat ze dachten dat dit de meest waarschijnlijk een plek om rotsachtige planeten te vinden die in een baan rond de HZ's van hun sterren draaien.
“Terwijl de meeste eerdere studies zich richtten op systemen met één ster, suggereert recent werk dat bewoonbare planeten kunnen worden gevonden in dubbelsterrensystemen of zelfs in rode reuzen- of witte dwergsystemen, maar mogelijk bewoonbare planeten kunnen ook de vorm aannemen van woestijnwerelden of zelfs oceaanwerelden die zijn veel natter dan de aarde ', zegt Ramirez. "Dergelijke formuleringen breiden niet alleen de parameterruimte van potentieel bewoonbare planeten aanzienlijk uit om naar te zoeken, maar stellen ons ook in staat de werelden uit te filteren die het meest (en het minst) het leven zullen herbergen."
Uiteindelijk laat deze studie zien dat de klassieke HZ niet het enige instrument is dat kan worden gebruikt om de mogelijkheid van buitenaards leven te beoordelen. Als zodanig beveelt Ramirez aan dat astronomen en exoplaneetjagers in de toekomst de klassieke HZ zouden moeten aanvullen met de aanvullende overwegingen die door deze nieuwere formuleringen naar voren worden gebracht. Door dit te doen, kunnen ze misschien hun kansen om ooit het leven te vinden maximaliseren.
"Ik raad aan dat wetenschappers echt speciale aandacht besteden aan de vroege stadia van planetaire systemen, omdat dat helpt om de waarschijnlijkheid te bepalen dat een planeet die zich momenteel in de huidige bewoonbare zone bevindt, de moeite waard is om verder te studeren voor meer bewijs van leven," zei hij. “Ik raad ook aan om de verschillende HZ-definities samen te gebruiken, zodat we het beste kunnen bepalen welke planeten het meest waarschijnlijk leven zullen leiden. Op die manier kunnen we deze planeten rangschikken en bepalen aan welke ze het grootste deel van onze telescooptijd en energie zullen besteden. Onderweg zouden we ook testen hoe valide het HZ-concept is, inclusief het bepalen hoe universeel de carbonaat-silicaatcyclus op kosmische schaal is. ”
