Om als bewoonbaar te worden beschouwd, heeft een planeet vloeibaar water nodig. Cellen, de kleinste levenseenheid, hebben water nodig om hun functies uit te voeren. Om vloeibaar water te laten bestaan, moet de temperatuur van de planeet goed zijn. Maar hoe zit het met de grootte van de planeet?
Zonder voldoende massa heeft een planeet niet genoeg zwaartekracht om haar water vast te houden. Een nieuwe studie probeert te begrijpen hoe grootte het vermogen van een planeet om zijn water vast te houden beïnvloedt, en als gevolg daarvan de bewoonbaarheid.
De kwestie van wat een planeet bewoonbaar zou kunnen maken, is een voortdurend debat. Niet alleen voor exoplaneten, maar voor enkele manen in de toekomst van ons eigen zonnestelsel. Wetenschappers hebben een redelijk goed idee hoeveel energie een planeet van zijn ster moet ontvangen om vloeibaar water vast te houden. Dat heeft geleid tot het populaire idee van de 'Goudlokje-zone' of de circumstellaire bewoonbare zone, een gebied dat niet te dichtbij of te ver van een ster verwijderd is om vloeibaar water op een planeet te laten voortduren.
Nu de zoektocht naar exoplaneten in bewoonbare zones toeneemt, en naarmate we betere telescopen en technieken krijgen om exoplaneten gedetailleerder te bestuderen, hebben wetenschappers meer beperkingen nodig op welke planeten ze moeten besteden aan het observeren van hulpbronnen. Zoals dit artikel laat zien, kan de massa van een planeet een nuttig filter zijn.
Het nieuwe artikel is getiteld "Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds". Het is gepubliceerd in The Astrophysical Journal. De hoofdauteur is Constantin W. Arnscheidt, een Grad-student aan het MIT.
Om vloeibaar water op het oppervlak en een atmosfeer te houden, moet een exoplaneet of een exomoon voldoende massa hebben, anders zal dat water en de atmosfeer gewoon de ruimte in drijven. En het moet zijn water lang genoeg vasthouden om te kunnen leven. Astronomen gebruiken daarvoor een marge van een miljard jaar.
"Wanneer mensen denken aan de binnen- en buitenranden van de bewoonbare zone, hebben ze de neiging er alleen ruimtelijk over na te denken, wat betekent hoe dicht de planeet bij de ster is", zegt Constantin Arnscheidt, eerste auteur van het artikel. 'Maar eigenlijk zijn er veel andere variabelen in bewoonbaarheid, waaronder massa. Het stellen van een ondergrens voor bewoonbaarheid in termen van planeetgrootte geeft ons een belangrijke beperking in onze voortdurende jacht op bewoonbare exoplaneten en exomoons. ”
De grootte en het bereik van de bewoonbare zone is afhankelijk van de ster. Een kleinere, minder energetische ster als een rode dwerg creëert een bewoonbare zone dichter bij zichzelf dan een grotere ster zoals onze zon. Dit wordt goed begrepen. Als een planeet te ver van de ster verwijderd is, bevriest het water. Te dichtbij, en het weggelopen broeikaseffect treedt op, en het water verandert in stoom en kan wegkoken in de ruimte.
Maar voor kleine planeten met een lagere massa is er meer aan de hand. Ze kunnen mogelijk het weggelopen broeikaseffect weerstaan.
Naarmate een planeet met een lagere massa opwarmt, zet de atmosfeer uit. Het wordt groter in verhouding tot de grootte van de planeet die het omringt. Dat heeft twee effecten: door de grotere oppervlaktegrootte kan de atmosfeer meer energie opnemen dan vroeger, en kan deze ook meer energie uitstralen dan vroeger.
Het algehele resultaat hiervan is volgens de onderzoekers dat de geëxpandeerde atmosfeer het weggelopen broeikaseffect blokkeert en dat ze hun oppervlaktewater kunnen vasthouden. Dit betekent dat ze dichter bij hun ster kunnen zijn zonder hun water te verliezen, waardoor de Goldilocks-zone wordt uitgebreid voor kleinere exoplaneten.
Er is natuurlijk een limiet. Als een planeet met een lage massa te klein is, zal deze niet genoeg zwaartekracht hebben en zal de atmosfeer worden verwijderd en zal het water ermee worden verwijderd of op het oppervlak worden bevroren. Dat betekent dat de vooruitzichten op leven slecht zijn. De onderzoekers zeggen dat er een kritieke ondergrens is om een planeet bewoonbaar te maken. Dat betekent dat er niet alleen een band van nabijheid tot de ster is die de bewoonbaarheid van een planeet bepaalt, er is ook een limiet voor de grootte.
Simpel gezegd, een planeet kan te klein zijn om bewoonbaar te zijn, zelfs als deze zich in de Goudlokje-zone bevindt.
Die kritische grootte is volgens Arnscheidt en de andere auteurs van de studie 2,7 procent van de massa van de aarde. Ze zeggen dat ze kleiner zijn dan dat, en de planeet kan simpelweg niet lang genoeg zijn atmosfeer en water vasthouden om het leven te laten verschijnen. Voor de context is de maan 1,2 procent van de massa van de aarde en is Mercurius 5,53 procent.
De onderzoekers gebruiken komeetachtige planeten als voorbeeld. Kometen hebben veel water, dat wordt gesublimeerd als ze in de buurt van de zon komen. Maar ze missen de vereiste massa om die damp vast te houden en ze kunnen nooit een atmosfeer vormen. Het water gaat verloren in de ruimte. Dus een planeet die te klein was, zelfs als hij veel water had, zou hem nooit vasthouden.
De onderzoekers gebruikten modellen om de bewoonbare zone van de planeet met een lage massa rond twee verschillende soorten sterren te schatten: een M-type of rode dwergster en een G-type ster zoals onze zon.
Mogelijk hebben ze ook een andere al lang bestaande vraag naar bewoonbaarheid in ons eigen zonnestelsel opgelost. De manen van Jupiter, Ganymedes, Callisto en Europa, hebben allemaal veel vloeibaar water, gevangen onder ijslagen. Astronomen hebben zich afgevraagd of ze bewoonbaar zouden zijn als de zon op een bepaald moment in zijn sterfelijke toekomst meer energie uitstraalt. Maar volgens het werk van de auteurs missen ze de massa om dat water vast te houden, zelfs als ze wel warm genoeg zijn geworden. Ganymedes komt dichtbij, met een massa van 2,5% van de aarde, maar het is klein genoeg om "komeetachtig" te zijn en al zijn water aan de ruimte te verliezen.
"Watermassa's met een lage massa zijn een fascinerende mogelijkheid in de zoektocht naar leven, en dit artikel laat zien hoe verschillend hun gedrag waarschijnlijk zal worden vergeleken met dat van aardachtige planeten", zegt Robin Wordsworth, universitair hoofddocent Environmental Science and Engineering bij SEAS en senior auteur van de studie. "Zodra observaties voor deze klasse objecten mogelijk worden, wordt het spannend om te proberen deze voorspellingen rechtstreeks te testen."
De onderzoekers hebben in hun werk enkele noodzakelijke aannames gedaan. Ze gingen ervan uit dat de atmosfeer van hun lage massa werelden pure waterdamp was. Ze gingen er ook van uit dat het water was vastgesteld op 40% van de massa van de planeet. Ze negeerden ook bepaalde andere factoren, zoals CO2-cycli, bewolking en oceaanchemie. Er zijn simpelweg te veel variabelen om te modelleren in deze fase van hun werk.
De auteurs behandelen ook het idee van bewoonbare exomonen in plaats van exoplaneten. Het is denkbaar dat in andere zonnestelsels manen eerder bewoonbaar zijn dan planeten. Dan spelen andere factoren een rol, zoals getijdenkrachten. Dat zou vooral het geval kunnen zijn bij M-type sterren of rode dwergen. Dat komt omdat de circumstellaire bewoonbare zone rond deze energiezuinige sterren al veel dichter bij de ster is dan rond een G-type ster zoals onze zon. De gecombineerde zwaartekracht van de exomoon, zijn planeet en de ster zou de bewoonbaarheid helemaal kunnen elimineren.
Ze erkennen ook enkele van de grote verscheidenheid aan andere factoren die de bewoonbaarheid beïnvloeden. Hoewel manen zoals Ganymedes misschien te klein zijn om bewoonbaar te zijn in hun model, kan het heel goed zijn dat ze leven in hun ondergrondse oceanen, waar wordt voorkomen dat het water ontsnapt door een dikke laag ijs.
Er moet nog veel meer werk worden verzet om de bewoonbaarheid te bepalen. Zoals de auteurs in hun paper zeggen: 'Verder werk zou meer gecompliceerde modellen van hydrodynamische ontsnapping kunnen overwegen.' Er is meer variatie en complexiteit in exoplaneten dan we nu weten, maar deze studie begint een deel ervan aan te pakken.
Meer:
- Persbericht: A Goldilocks Zone for Planet Size
- Research Paper: Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds
- Space Magazine: Welke bewoonbare zones zijn het beste om daadwerkelijk naar het leven te zoeken?
