science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Komen planeten met oceanen veel voor in de melkweg? Het is waarschijnlijk, NASA-wetenschappers vinden

Deze illustratie toont NASA's Cassini-ruimtevaartuig dat in oktober 2015 door pluimen op Enceladus vloog. Credit:NASA/JPL-Caltech

Een aantal jaar geleden, planetaire wetenschapper Lynnae Quick begon zich af te vragen of een van de meer dan 4, 000 bekende exoplaneten, of planeten buiten ons zonnestelsel, zou kunnen lijken op enkele van de waterige manen rond Jupiter en Saturnus. Hoewel sommige van deze manen geen atmosfeer hebben en bedekt zijn met ijs, ze behoren nog steeds tot de topdoelen in NASA's zoektocht naar leven buiten de aarde. Saturnusmaan Enceladus en Jupitermaan Europa, die wetenschappers classificeren als "oceaanwerelden, " zijn goede voorbeelden.

"Pluimen water barsten uit Europa en Enceladus, zodat we kunnen zien dat deze lichamen ondergrondse oceanen hebben onder hun ijsschelpen, en ze hebben energie die de pluimen aandrijft, dat zijn twee vereisten voor het leven zoals we het kennen, " zegt Snel, een NASA planetaire wetenschapper die gespecialiseerd is in vulkanisme en oceaanwerelden. "Dus als we denken aan deze plaatsen als mogelijk bewoonbaar, misschien zijn grotere versies ervan in andere planetaire systemen ook bewoonbaar."

Snel, van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, besloten om te onderzoeken of er - hypothetisch - planeten zijn die lijken op Europa en Enceladus in de Melkweg. En, konden zij, te, geologisch actief genoeg zijn om pluimen door hun oppervlak te schieten die ooit door telescopen kunnen worden gedetecteerd.

Door een wiskundige analyse van enkele tientallen exoplaneten, inclusief planeten in het nabijgelegen TRAPPIST-1-systeem, Quick en haar collega's leerden iets belangrijks:meer dan een kwart van de exoplaneten die ze bestudeerden, zouden oceaanwerelden kunnen zijn, met een meerderheid die mogelijk oceanen herbergt onder lagen oppervlakte-ijs, vergelijkbaar met Europa en Enceladus. Aanvullend, veel van deze planeten zouden meer energie kunnen vrijgeven dan Europa en Enceladus.

Wetenschappers kunnen op een dag de voorspellingen van Quick testen door de warmte te meten die wordt uitgestraald door een exoplaneet of door vulkanische of cryovulkanische (vloeistof of damp in plaats van gesmolten gesteente) uitbarstingen te detecteren in de golflengten van het licht dat wordt uitgezonden door moleculen in de atmosfeer van een planeet. Voor nu, wetenschappers kunnen veel exoplaneten niet in detail zien. Helaas, ze zijn te ver weg en te overstemd door het licht van hun sterren. Maar door rekening te houden met de enige beschikbare informatie - afmetingen van exoplaneten, massa's en afstanden van hun sterren - wetenschappers zoals Quick en haar collega's kunnen gebruikmaken van wiskundige modellen en ons begrip van het zonnestelsel om te proberen zich de omstandigheden voor te stellen die exoplaneten tot leefbare werelden zouden kunnen vormen of niet.

Hoewel de aannames die in deze wiskundige modellen worden verwerkt, gissingen zijn, ze kunnen wetenschappers helpen de lijst met veelbelovende exoplaneten te verkleinen om te zoeken naar omstandigheden die gunstig zijn voor het leven, zodat NASA's aanstaande James Webb Space Telescope of andere ruimtemissies kunnen volgen.

"Toekomstige missies om te zoeken naar tekenen van leven buiten het zonnestelsel zijn gericht op planeten zoals de onze die een wereldwijde biosfeer hebben die zo overvloedig is dat het de chemie van de hele atmosfeer verandert, " zegt Aki Roberte, een NASA Goddard-astrofysicus die aan deze analyse samenwerkte met Quick. "Maar in het zonnestelsel, ijzige manen met oceanen, die ver verwijderd zijn van de hitte van de zon, hebben nog steeds aangetoond dat ze de kenmerken hebben waarvan we denken dat ze nodig zijn voor het leven."

Om mogelijke oceaanwerelden te zoeken, Het team van Quick selecteerde 53 exoplaneten met afmetingen die het meest op de aarde lijken, hoewel ze tot acht keer meer massa zouden kunnen hebben. Wetenschappers gaan ervan uit dat planeten van deze grootte meer vast dan gasvormig zijn en dus, hebben meer kans om vloeibaar water op of onder hun oppervlak te ondersteunen. Sinds Quick en haar collega's in 2017 met hun onderzoek begonnen, zijn er nog minstens 30 planeten ontdekt die aan deze parameters voldoen. maar ze werden niet meegenomen in de analyse, die op 18 juni in het tijdschrift werd gepubliceerd Publicaties van de Astronomical Society of the Pacific .

Met hun planeten ter grootte van de aarde geïdentificeerd, Quick en haar team probeerden te bepalen hoeveel energie elk kon genereren en afgeven als warmte. Het team beschouwde twee primaire warmtebronnen. De eerste, radiogene warmte, wordt gedurende miljarden jaren gegenereerd door het langzame verval van radioactieve materialen in de mantel en korst van een planeet. Die mate van verval hangt af van de leeftijd van een planeet en de massa van zijn mantel. Andere wetenschappers hadden deze relaties al bepaald voor planeten ter grootte van de aarde. Dus, Quick en haar team pasten de vervalsnelheid toe op hun lijst van 53 planeten, ervan uitgaande dat ze allemaal even oud zijn als zijn ster en dat zijn mantel hetzelfde deel van het volume van de planeet inneemt als de mantel van de aarde.

Deze geanimeerde grafiek toont niveaus van voorspelde geologische activiteit onder exoplaneten, met en zonder oceanen, vergeleken met bekende geologische activiteit onder zonnestelsellichamen, met en zonder oceanen. Krediet:Lynnae Quick &James Tralie/NASA's Goddard Space Flight Center

Volgende, berekenden de onderzoekers warmte geproduceerd door iets anders:getijdenkracht, dat is energie die wordt gegenereerd door de zwaartekracht wanneer het ene object om het andere draait. Planeten in uitgestrekt, of elliptisch, banen verschuiven de afstand tussen zichzelf en hun sterren terwijl ze eromheen cirkelen. Dit leidt tot veranderingen in de zwaartekracht tussen de twee objecten en zorgt ervoor dat de planeet uitrekt, waardoor warmte ontstaat. Eventueel, de warmte gaat via het oppervlak naar de ruimte.

Een uitgangsroute voor de hitte is via vulkanen of cryovulkanen. Een andere route is door tektoniek, dat is een geologisch proces dat verantwoordelijk is voor de beweging van de buitenste rotsachtige of ijzige laag van een planeet of maan. Hoe de warmte ook wordt afgevoerd, weten hoeveel ervan een planeet naar buiten duwt, is belangrijk omdat het bewoonbaarheid kan maken of breken.

Bijvoorbeeld, te veel vulkanische activiteit kan een leefbare wereld veranderen in een gesmolten nachtmerrie. Maar te weinig activiteit kan het vrijkomen van gassen die een atmosfeer vormen, stoppen, een verkoudheid achterlatend, kale oppervlakte. Precies de juiste hoeveelheid ondersteunt een leefbaar, natte planeet zoals de aarde, of een mogelijk leefbare maan zoals Europa.

In het volgende decennium zal NASA's Europa Clipper zal het oppervlak en de ondergrond van Europa verkennen en inzichten verschaffen over de omgeving onder het oppervlak. Hoe meer wetenschappers kunnen leren over Europa en andere potentieel bewoonbare manen van ons zonnestelsel, hoe beter ze soortgelijke werelden rond andere sterren kunnen begrijpen - die er in overvloed kunnen zijn, volgens de bevindingen van vandaag.

"Aanstaande missies zullen ons een kans geven om te zien of oceaanmanen in ons zonnestelsel leven kunnen ondersteunen, " zegt Snel, die een wetenschappelijk teamlid is op zowel de Clipper-missie als de Dragonfly-missie naar Saturnusmaan Titan. "Als we chemische handtekeningen van leven vinden, we kunnen proberen soortgelijke tekens op interstellaire afstanden te zoeken."

Wanneer Webb wordt gelanceerd, wetenschappers zullen proberen chemische kenmerken te detecteren in de atmosferen van sommige planeten in het TRAPPIST-1-systeem, dat is 39 lichtjaar verwijderd in het sterrenbeeld Waterman. in 2017, astronomen hebben aangekondigd dat dit systeem zeven planeten ter grootte van de aarde heeft. Sommigen hebben gesuggereerd dat sommige van deze planeten waterig zouden kunnen zijn, en de schattingen van Quick ondersteunen dit idee. Volgens de berekeningen van haar team, TRAPPIST-1 e, F, g en h zouden oceaanwerelden kunnen zijn, wat hen zou plaatsen tussen de 14 oceaanwerelden die de wetenschappers in deze studie hebben geïdentificeerd.

De onderzoekers voorspelden dat deze exoplaneten oceanen hebben door rekening te houden met de oppervlaktetemperaturen van elk. Deze informatie wordt onthuld door de hoeveelheid stellaire straling die elke planeet in de ruimte reflecteert. Het team van Quick hield ook rekening met de dichtheid van elke planeet en de geschatte hoeveelheid interne verwarming die het genereert in vergelijking met de aarde.

"Als we zien dat de dichtheid van een planeet lager is dan die van de aarde, dat is een indicatie dat er misschien meer water is en niet zoveel steen en ijzer, ' zegt Quick. En als de temperatuur van de planeet vloeibaar water toelaat, je hebt een oceaanwereld.

"Maar als de oppervlaktetemperatuur van een planeet lager is dan 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius), waar het water bevroren is, "Snel zegt, "dan hebben we een ijzige oceaanwereld, en de dichtheden voor die planeten zijn zelfs nog lager."