Een team van astronomen aan de Universiteit van Chicago en Grinnell College probeert de manier te veranderen waarop wetenschappers de zoektocht naar aardachtige planeten die om andere sterren dan de zon draaien, benaderen. Ze geven de voorkeur aan een statistische vergelijkende benadering bij het zoeken naar bewoonbare planeten en leven buiten het zonnestelsel.

"De aard van het bewijs zou niet moeten zijn:'Kunnen we naar een planeet wijzen en zeggen:Ja of nee, dat is de planeet die buitenaards leven herbergt, " zei Jacob Bean, universitair hoofddocent astronomie en astrofysica aan de UChicago. "Het is een statistische oefening. Wat kunnen we zeggen voor een ensemble van planeten over de frequentie van het bestaan ​​van bewoonbare omgevingen, of de frequentie van het bestaan ​​van leven op die planeten?"

De standaardaanpak van het onderzoeken van exoplaneten, of planeten die om verre sterren draaien, heeft geleid tot het bestuderen van kleine aantallen objecten om te bepalen of ze de juiste gassen hebben in de juiste hoeveelheden en verhoudingen om het bestaan ​​van leven aan te geven. Maar in een recent artikel met co-auteurs Dorian Abbot en Eliza Kempton in de Astrofysische journaalbrieven , Bean beschrijft de noodzaak "om na te denken over de technieken en benaderingen van de astronomie in dit spel - niet als planetaire wetenschappers die exoplaneten bestuderen."

"De natuur heeft ons enorme aantallen planetaire systemen gegeven, " zei Kempton, een assistent-professor natuurkunde aan het Grinnell College in Iowa. "Als we een groot aantal planeten onderzoeken met minder gedetailleerde metingen, we kunnen nog steeds een statistisch idee krijgen van hoe wijdverbreid bewoonbare omgevingen zijn in onze melkweg. Dit zou ons een basis geven voor toekomstige, meer gedetailleerde onderzoeken."

Kempton en Bean getuigen van de uitdagingen van het maken van gedetailleerde observaties van een potentieel aardachtige planeet. Samen hebben ze eerder de superaarde bestudeerd die bekend staat als GJ 1214b, een exoplaneet met een massa die groter is dan die van de aarde, maar minder dan gasreuzen zoals Neptunus en Uranus. GJ 1214b bleek behoorlijk bewolkt te zijn, waardoor ze de samenstelling van de atmosfeer niet konden bepalen.

"Een groot statistisch onderzoek zal ons in staat stellen om naar veel planeten te kijken, "Zei Kempton. "Als een enkel object bijzonder moeilijk te observeren blijkt te zijn, zoals GJ 1214b, dat zal geen groot verlies zijn voor het observatieprogramma in het algemeen."

Kepler-observatorium een ​​game-changer

De inspiratie voor het artikel kwam voort uit Beans lidmaatschap van het Science and Technology Definition Team dat het potentieel voor een nieuwe ruimtetelescoop beoordeelt, NASA's voorgestelde Large UV/Optical/Infrared Survey (LUVOIR).

Een van de wetenschappelijke prioriteiten van LUVOIR is het zoeken naar aardachtige planeten. Tijdens een teamvergadering Bean en zijn collega's somden alle eigenschappen op van een potentieel bewoonbare exoplaneet die ze moeten meten en hoe ze de gegevens zouden verkrijgen. Gezien de huidige stand van de techniek, Bean concludeerde dat het onwaarschijnlijk is dat wetenschappers kunnen bevestigen dat een individuele exoplaneet geschikt is voor leven of dat er daadwerkelijk leven is.

Hoe dan ook, astronomen hebben een indrukwekkende hoeveelheid exoplanetaire gegevens verzameld van NASA's Kepler-ruimteobservatorium, die sinds 2009 actief is.

"Kepler heeft het spel volledig veranderd, "Zei Bean. "In plaats van te praten over een paar planeten of een paar tientallen planeten, ineens hadden we een paar duizend planeetkandidaten. Het waren kandidaat-planeten omdat Kepler niet met zekerheid kon bewijzen dat het signaal dat het zag van planeten kwam."

De standaardbenadering was om voor elke kandidaat aanvullende waarnemingen te doen om mogelijke vals-positieve scenario's uit te sluiten, of om de planeet te detecteren met een tweede techniek.

"Dat gaat heel langzaam. Eén planeet tegelijk, veel verschillende waarnemingen, ’, merkte Bean op. Maar een alternatief is om statistische berekeningen te maken voor de kans op valse positieven onder deze duizenden exoplaneetkandidaten. Die nieuwe aanpak leidde direct tot een goed begrip van de frequentie van exoplaneten van verschillende groottes. wetenschappers kunnen nu zeggen dat de frequentie van superaardse planeten 15 procent is, plus of min 5 procent.

Rol van spectroscopie

Spectroscopische studies spelen een sleutelrol bij het karakteriseren van exoplaneten. Dit omvat het bepalen van de samenstelling van een planetaire atmosfeer door de spectra te meten, de kenmerkende straling die gassen absorberen op hun eigen specifieke golflengten. Bean en zijn co-auteurs stellen voor zich te concentreren op wat kan worden geleerd van het meten van de spectra van een groot ensemble van terrestrische exoplaneten.

Spectroscopie kan, bijvoorbeeld, exoplanetaire onderzoekers helpen bij het verifiëren van een fenomeen dat de silicaatverweringsfeedback wordt genoemd, die fungeert als een planetaire thermostaat. Door silicaatverwering, de hoeveelheid atmosferische kooldioxide varieert volgens geologische processen. Vulkanen stoten koolstofdioxide uit in de atmosfeer, maar regen en chemische reacties die plaatsvinden in rotsen en sedimenten verwijderen ook het gas uit de atmosfeer.

Stijgende temperaturen zouden meer waterdamp in de atmosfeer brengen, die dan regent, het verhogen van de hoeveelheid opgeloste koolstofdioxide die chemisch in wisselwerking staat met de rotsen. Dit verlies van koolstofdioxide uit de atmosfeer heeft een verkoelend effect. Maar als een planeet begint af te koelen, de verwering van rotsen vertraagt ​​en de hoeveelheid koolstofdioxide bouwt geleidelijk op uit de vulkanische bronnen, wat zorgt voor stijgende temperaturen.

Waarnemingen op wereldschaal suggereren dat de aarde feedback heeft gekregen over silicaatverwering. Maar pogingen om te verifiëren dat het proces vandaag de dag op de schaal van individuele stroomgebieden werkt, zijn moeilijk gebleken.

"De resultaten zijn erg luidruchtig. Er is geen duidelijk signaal, "Zei Abt. "Het zou geweldig zijn om nog een onafhankelijke bevestiging van exoplaneten te krijgen."

Alle drie de co-auteurs zijn geïnteresseerd in het uitwerken van de details van experimenten die ze in hun paper hebben voorgesteld. Abt is van plan te berekenen hoeveel koolstofdioxide nodig is om een ​​planeet bewoonbaar te houden bij een reeks stellaire stralingsintensiteiten, terwijl verschillende planetaire parameters worden gewijzigd. Hij zal ook beoordelen hoe goed een toekomstig instrument het gas kan meten.

"Dan zullen we dit samenvoegen om te zien hoeveel planeten we zouden moeten observeren om de trend te detecteren die wijst op een silicaat-verwering feedback, ’ legde Abt uit.

Bean en Kempton, In de tussentijd, geïnteresseerd zijn in details over wat een statistische telling van biologisch significante gassen zoals zuurstof, koolstofdioxide en ozon zouden kunnen onthullen over planetaire bewoonbaarheid.

"Ik zou graag een beter begrip willen krijgen van hoe sommige van de volgende generatie telescopen in staat zullen zijn statistische trends te onderscheiden die duiden op bewoonbare of bewoonde planeten, ' zei Kempton.