De zoektocht naar leven buiten de aarde begint in bewoonbare zones, de gebieden rond sterren waar de omstandigheden het mogelijk zouden kunnen maken dat vloeibaar water - wat essentieel is voor het leven zoals wij dat kennen - zich op het oppervlak van een planeet verzamelt. Nieuw NASA-onderzoek suggereert dat sommige van deze zones misschien niet echt in staat zijn om het leven te ondersteunen vanwege frequente stellaire uitbarstingen - die enorme hoeveelheden stellair materiaal en straling de ruimte in spuwen - van jonge rode dwergsterren.

Nutsvoorzieningen, een interdisciplinair team van NASA-wetenschappers wil uitbreiden hoe bewoonbare zones worden gedefinieerd, rekening houdend met de impact van stellaire activiteit, die de atmosfeer van een exoplaneet kan bedreigen met zuurstofverlies. Dit onderzoek is gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven op 6 februari 2017.

"Als we een exoplaneet willen vinden die leven kan ontwikkelen en ondersteunen, we moeten uitzoeken welke sterren de beste ouders zijn, " zei Vladimir Airapetian, hoofdauteur van het artikel en een zonnewetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "We komen steeds dichter bij het begrijpen wat voor soort oudersterren we nodig hebben."

Om de bewoonbare zone van een ster te bepalen, wetenschappers hebben traditioneel overwogen hoeveel warmte en licht de ster afgeeft. Sterren die zwaarder zijn dan onze zon produceren meer warmte en licht, dus de bewoonbare zone moet verder weg zijn. Kleiner, koelere sterren leveren dichtbij bewoonbare zones op.

Maar samen met warmte en zichtbaar licht, sterren zenden röntgenstraling en ultraviolette straling uit, en stellaire uitbarstingen produceren zoals fakkels en coronale massa-ejecties - gezamenlijk ruimteweer genoemd. Een mogelijk effect van deze straling is atmosferische erosie, waarin hoogenergetische deeltjes atmosferische moleculen slepen - zoals waterstof en zuurstof, de twee ingrediënten voor water - de ruimte in. Het nieuwe model voor bewoonbare zones van Airapetian en zijn team houdt nu rekening met dit effect.

De zoektocht naar bewoonbare planeten richt zich vaak op rode dwergen, omdat dit de coolste zijn, kleinste en meest talrijke sterren in het heelal - en daarom relatief vatbaar voor detectie van kleine planeten.

"Aan de andere kant, rode dwergen zijn ook vatbaarder voor frequentere en krachtigere steruitbarstingen dan de zon, " zei William Danchi, een Goddard-astronoom en co-auteur van het artikel. "Om de bewoonbaarheid van planeten rond deze sterren te beoordelen, we moeten begrijpen hoe deze verschillende effecten in evenwicht zijn."

Een andere belangrijke bewoonbaarheidsfactor is de leeftijd van een ster, zeggen de wetenschappers, gebaseerd op observaties die ze hebben verzameld van NASA's Kepler-missie. Elke dag, jonge sterren produceren superflares, krachtige uitbarstingen en uitbarstingen die minstens 10 keer krachtiger zijn dan die waargenomen op de zon. Op hun oudere gerijpte tegenhangers die lijken op onze zon van middelbare leeftijd van vandaag, dergelijke superflares worden slechts eens in de 100 jaar waargenomen.

"Als we kijken naar jonge rode dwergen in onze melkweg, we zien dat ze veel minder lichtgevend zijn dan onze zon vandaag, " zei Airapetian. "Volgens de klassieke definitie, de bewoonbare zone rond rode dwergen moet 10 tot 20 keer dichterbij zijn dan de aarde bij de zon. Nu weten we dat deze rode dwergsterren veel röntgenstraling en extreme ultraviolette emissies genereren in de bewoonbare zones van exoplaneten door frequente uitbarstingen en stellaire stormen."

Superflares veroorzaken atmosferische erosie wanneer hoogenergetische röntgenstraling en extreme ultraviolette emissies eerst moleculen in atomen breken en vervolgens atmosferische gassen ioniseren. Tijdens ionisatie, straling treft de atomen en stoot elektronen af. Elektronen zijn veel lichter dan de nieuw gevormde ionen, zodat ze veel gemakkelijker aan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht ontsnappen en de ruimte in rennen.

Tegenpolen trekken aan, zodat er steeds meer negatief geladen elektronen worden gegenereerd, ze creëren een krachtige ladingsscheiding die positief geladen ionen uit de atmosfeer lokt in een proces dat ionenontsnapping wordt genoemd.

"We weten dat het ontsnappen van zuurstofionen op aarde op kleinere schaal plaatsvindt, omdat de zon slechts een fractie van de activiteit van jongere sterren vertoont, " zei Alex Glocer, een Goddard-astrofysicus en co-auteur van het artikel. "Om te zien hoe dit effect schaalt wanneer je meer energie met hoge energie krijgt, zoals je zou zien bij jonge sterren, we hebben een model ontwikkeld."

Het model schat de zuurstofontsnapping op planeten rond rode dwergen, ervan uitgaande dat ze niet compenseren met vulkanische activiteit of kometenbombardement. Verschillende eerdere atmosferische erosiemodellen gaven aan dat waterstof het meest kwetsbaar is voor ionenontsnapping. Als het lichtste element, waterstof ontsnapt gemakkelijk in de ruimte, vermoedelijk een atmosfeer achterlatend die rijk is aan zwaardere elementen zoals zuurstof en stikstof.

Maar toen de wetenschappers rekening hielden met superflares, hun nieuwe model geeft aan dat de hevige stormen van jonge rode dwergen voldoende hoogenergetische straling genereren om de ontsnapping van zelfs zuurstof en stikstof mogelijk te maken - bouwstenen voor de essentiële moleculen van het leven.

"Hoe meer röntgenstraling en extreem ultraviolette energie er is, hoe meer elektronen worden gegenereerd en hoe sterker het ionenontsnappingseffect wordt, Glocer zei. "Dit effect is erg gevoelig voor de hoeveelheid energie die de ster uitstraalt, wat betekent dat het een sterke rol moet spelen bij het bepalen wat wel en niet een bewoonbare planeet is."

Gezien zuurstofontsnapping alleen, het model schat dat een jonge rode dwerg een nabije exoplaneet binnen enkele tientallen tot honderd miljoen jaar onbewoonbaar kan maken. Het verlies van zowel atmosferische waterstof als zuurstof zou de watervoorziening van de planeet verminderen en elimineren voordat het leven een kans zou krijgen om zich te ontwikkelen.

"De resultaten van dit werk kunnen ingrijpende gevolgen hebben voor de atmosferische chemie van deze werelden, " zei Shawn Domagal-Goldman, een Goddard-ruimtewetenschapper die niet bij het onderzoek betrokken was. "The team's conclusions will impact our ongoing studies of missions that would search for signs of life in the chemical composition of those atmospheres."

Modeling the oxygen loss rate is the first step in the team's efforts to expand the classical definition of habitability into what they call space weather-affected habitable zones. When exoplanets orbit a mature star with a mild space weather environment, the classical definition is sufficient. When the host star exhibits X-ray and extreme ultraviolet levels greater than seven to 10 times the average emissions from our sun, then the new definition applies. The team's future work will include modeling nitrogen escape, which may be comparable to oxygen escape since nitrogen is just slightly lighter than oxygen.

The new habitability model has implications for the recently discovered planet orbiting the red dwarf Proxima Centauri, our nearest stellar neighbor. Airapetian and his team applied their model to the roughly Earth-sized planet, dubbed Proxima b, which orbits Proxima Centauri 20 times closer than Earth is to the sun.

Considering the host star's age and the planet's proximity to its host star, the scientists expect that Proxima b is subjected to torrents of X-ray and extreme ultraviolet radiation from superflares occurring roughly every two hours. They estimate oxygen would escape Proxima b's atmosphere in 10 million years. Additionally, intense magnetic activity and stellar wind – the continuous flow of charged particles from a star – exacerbate already harsh space weather conditions. The scientists concluded that it's quite unlikely Proxima b is habitable.

"We have pessimistic results for planets around young red dwarfs in this study, but we also have a better understanding of which stars have good prospects for habitability, " Airapetian said. "As we learn more about what we need from a host star, it seems more and more that our sun is just one of those perfect parent stars, to have supported life on Earth."