Bij het jagen op mogelijk bewoonbare exoplaneten is een van de belangrijkste dingen waar astronomen naar op zoek zijn, of kandidaten voor exoplaneten al dan niet in een baan rond hun ster bewonen. Dit is nodig om vloeibaar water op het oppervlak van een planeet te laten bestaan, wat op zijn beurt een voorwaarde is voor het leven zoals wij dat kennen. Bij het ontdekken van nieuwe exoplaneten zijn wetenschappers zich echter bewust geworden van een extreem geval dat bekend staat als "waterwerelden".
Waterwerelden zijn in wezen planeten die tot 50% uit massa bestaan, wat resulteert in oppervlakte-oceanen die honderden kilometers diep kunnen zijn. Volgens een nieuwe studie door een team van astrofysici uit Princeton, de University of Michigan en Harvard, zullen waterwerelden mogelijk niet lang aan hun water kunnen vasthouden. Deze bevindingen kunnen van enorme betekenis zijn als het gaat om de jacht op bewoonbare planeten in onze nek van de kosmos.
Deze meest recente studie, getiteld "De uitdroging van waterwerelden via atmosferische verliezen", verscheen onlangs in The Astrophysical Journal Letters. Onder leiding van Chuanfei Dong van de afdeling Astrofysische Wetenschappen van Princeton University, voerde het team computersimulaties uit waarbij rekening werd gehouden met de omstandigheden waaraan waterwerelden zouden worden onderworpen.
Deze studie was grotendeels ingegeven door het aantal ontdekkingen van exoplaneten dat de afgelopen jaren is gedaan rond lichte M-type (rode dwerg) zonnestelsels. Deze planeten zijn qua grootte vergelijkbaar met de aarde, wat aangeeft dat ze waarschijnlijk terrestrisch (d.w.z. rotsachtig) waren. Bovendien bleken veel van deze planeten - zoals Proxima b en drie planeten binnen het TRAPPIST-1-systeem - in een baan rond de sterren te bewonen.
Latere studies gaven echter aan dat Proxima b en andere rotsachtige planeten die om rode dwergsterren draaien in feite waterwerelden zouden kunnen zijn. Dit was gebaseerd op massaschattingen verkregen door astronomische onderzoeken en de ingebouwde veronderstellingen dat dergelijke planeten rotsachtig van aard waren en geen enorme atmosfeer hadden. Tegelijkertijd zijn er tal van onderzoeken gedaan die twijfel hebben gedaan of deze planeten hun water wel of niet zouden kunnen vasthouden.
Het komt eigenlijk allemaal neer op het type ster en de baanparameters van de planeten. Terwijl langlevende, rode dwergsterren staan bekend als variabel en onstabiel in vergelijking met onze zon, wat resulteert in periodieke uitbarstingen die de atmosfeer van een planeet in de loop van de tijd zouden strippen. Bovendien zouden planeten die in een bewoonbare zone van een rode dwerg cirkelen waarschijnlijk door de lucht zijn vergrendeld, wat betekent dat één kant van de planeet constant wordt blootgesteld aan de straling van de ster.
Daarom zijn wetenschappers gefocust op het bepalen hoe goed exoplaneten in verschillende soorten sterrenstelsels hun atmosfeer kunnen vasthouden. Zoals Dr. Dong Space Magazine via e-mail vertelde:
“Het is redelijk om te zeggen dat de aanwezigheid van een atmosfeer wordt gezien als een van de vereisten voor de bewoonbaarheid van een planeet. Dat gezegd hebbende, het concept van bewoonbaarheid is complex en er zijn talloze factoren bij betrokken. Een atmosfeer alleen is dus niet voldoende om bewoonbaarheid te garanderen, maar kan worden beschouwd als een belangrijk ingrediënt voor een bewoonbare planeet. ”
Om te testen of een waterwereld zijn atmosfeer wel of niet zou kunnen vasthouden, voerde het team computersimulaties uit die rekening hielden met verschillende mogelijke scenario's. Deze omvatten de effecten van stellaire magnetische velden, coronale massa-ejecties en atmosferische ionisatie en ejectie voor verschillende soorten sterren - waaronder G-type sterren (zoals onze zon) en M-type sterren (zoals Proxima Centauri en TRAPPIST-1).
Met deze effecten in het achterhoofd hebben Dr. Dong en zijn collega's een uitgebreid model afgeleid dat simuleerde hoe lang de exoplaneetatmosferen zouden duren. Zoals hij het uitlegde:
“We hebben een nieuw multi-vloeistof magnetohydrodynamisch model ontwikkeld. Het model simuleerde zowel de ionosfeer als de magnetosfeer als geheel. Vanwege het bestaan van het dipoolmagnetische veld kan de stellaire wind de atmosfeer niet rechtstreeks wegvagen (zoals Mars vanwege de afwezigheid van een wereldwijd dipoolmagnetisch veld), maar werd het atmosferische ionenverlies veroorzaakt door de poolwind.
“De elektronen zijn minder massief dan hun ouderionen en worden daardoor sneller versneld tot en voorbij de ontsnappingssnelheid van de planeet. Deze ladingsscheiding tussen de ontsnappende elektronen met een lage massa en aanzienlijk zwaardere, positief geladen ionen zet een polariserend elektrisch veld op. Dat elektrische veld zorgt er op zijn beurt voor dat de positief geladen ionen achter de ontsnappende elektronen uit de atmosfeer in de poolkappen worden getrokken. '
Wat ze ontdekten was dat hun computersimulaties consistent waren met het huidige aarde-zonnestelsel. In sommige extreme mogelijkheden - zoals exoplaneten rond M-type sterren - is de situatie echter heel anders en kunnen de ontsnappingspercentages duizend keer groter of meer zijn. Het resultaat betekent dat zelfs een waterwereld, als hij om een rode dwergster draait, zijn atmosfeer zou kunnen verliezen na ongeveer een gigayear (Gyr), een miljard jaar.
Aangezien het leven zoals we dat kennen ongeveer 4,5 miljard jaar heeft geduurd om te evolueren, is een miljard jaar een relatief korte periode. Zoals Dr. Dong uitlegde, geven deze resultaten aan dat planeten die in een baan rond M-type sterren draaien, moeilijk onder druk kunnen komen om leven te ontwikkelen:
“Onze resultaten geven aan dat de oceaanplaneten (die in een baan rond een zon-achtige ster draaien) hun atmosfeer veel langer zullen behouden dan de Gyr-tijdschaal omdat de ionen-ontsnappingssnelheden veel te laag zijn, waardoor het een langere levensduur voor het leven op deze planeten mogelijk maakt. en evolueren in termen van complexiteit. Voor exoplaneten die in een baan om M-dwergen draaien, zouden hun oceanen daarentegen kunnen worden uitgeput over de Gyr-tijdschaal vanwege de intensere deeltjes- en stralingsomgevingen die exoplaneten ervaren in dichtbij gelegen bewoonbare zones. Als de atmosfeer minder lang zou opraken dan Gyr, zou dit problematisch kunnen zijn voor de oorsprong van het leven (abiogenese) op de planeet. ”
Nogmaals, deze resultaten doen twijfels rijzen over de mogelijke bewoonbaarheid van rode dwergsterrensystemen. In het verleden hebben onderzoekers aangegeven dat de lange levensduur van rode dwergsterren, die tot 10 biljoen jaar of langer in hun hoofdreeks kunnen blijven, hen de beste kandidaat maakt voor het vinden van bewoonbare exoplaneten. De stabiliteit van deze sterren en de manier waarop ze waarschijnlijk planeten uit hun atmosfeer zullen verwijderen, lijkt anders aan te geven.
Studies zoals deze zijn daarom van groot belang omdat ze helpen bepalen hoe lang een potentieel bewoonbare planeet rond een rode dwergster mogelijk bewoonbaar kan blijven. Dong gaf aan:
“Gezien het belang van atmosferisch verlies voor planetaire bewoonbaarheid, is er veel belangstelling voor het gebruik van telescopen zoals de aanstaande James Webb Space Telescope (JWST) om te bepalen of deze planeten atmosferen hebben en, zo ja, hoe hun samenstelling eruit ziet . De JWST zou naar verwachting deze atmosferen moeten kunnen karakteriseren (indien aanwezig), maar het nauwkeurig kwantificeren van de ontsnappingspercentages vereist een veel hogere mate van precisie en is in de nabije toekomst misschien niet haalbaar. ”
De studie is ook belangrijk wat ons begrip van het zonnestelsel en zijn evolutie betreft. Eens wisten wetenschappers dat zowel de aarde als Venus mogelijk waterwerelden waren. Hoe ze de overgang maakten van zeer waterig naar wat ze nu zijn - in het geval van Venus, droog en helachtig; en in het geval van de aarde, met meerdere continenten - is een uiterst belangrijke vraag.
In de toekomst worden meer gedetailleerde onderzoeken verwacht die zouden kunnen helpen om licht te werpen op deze concurrerende theorieën. Wanneer de James Webb Space Telescope (JWST) in het voorjaar van 2018 wordt ingezet, zal hij zijn krachtige infraroodmogelijkheden gebruiken om planeten rond nabijgelegen rode dwergen te bestuderen, waaronder Proxima b. Wat we over deze en andere verre exoplaneten leren, zal een grote bijdrage leveren aan het informeren van ons begrip van hoe ons eigen zonnestelsel ook is geëvolueerd.
