Proxima b, een planeet ter grootte van de aarde net buiten ons zonnestelsel in de bewoonbare zone van zijn ster, misschien niet in staat zijn greep op de atmosfeer te houden, waardoor het oppervlak wordt blootgesteld aan schadelijke stellaire straling en het potentieel voor bewoonbaarheid wordt verminderd.

Op slechts vier lichtjaar afstand, Proxima b is onze naaste bekende extra-zonnebuur. Echter, vanwege het feit dat hij niet is gezien voor zijn moederster, de exoplaneet ontwijkt de gebruikelijke methode om over zijn atmosfeer te leren. In plaats daarvan, wetenschappers moeten vertrouwen op modellen om te begrijpen of de exoplaneet bewoonbaar is.

Een zo'n computermodel overwoog wat er zou gebeuren als de aarde in een baan om Proxima Centauri zou draaien, onze naaste stellaire buur en de ster van Proxima b, in dezelfde baan als Proxima b. De NASA-studie, gepubliceerd op 24 juli 2017, in De astrofysische journaalbrieven , suggereert dat de atmosfeer van de aarde niet zou overleven in de nabijheid van de gewelddadige rode dwerg.

"We besloten om de enige bewoonbare planeet die we tot nu toe kennen - de aarde - te nemen en te plaatsen waar Proxima b is, " zei Katherine Garcia-Sage, een ruimtewetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en hoofdauteur van de studie. Het onderzoek werd ondersteund door NASA's NExSS-coalitie - die de zoektocht naar leven op planeten buiten ons zonnestelsel leidt - en het NASA Astrobiology Institute.

Alleen omdat de baan van Proxima b zich in de bewoonbare zone bevindt, dat is de afstand van zijn moederster waar water zich zou kunnen verzamelen op het oppervlak van een planeet, betekent niet dat het bewoonbaar is. Het houdt geen rekening met bijvoorbeeld, of er werkelijk water op de planeet bestaat, of een atmosfeer in die baan zou kunnen overleven. Sferen zijn ook essentieel voor het leven zoals we dat kennen:de juiste atmosfeer zorgt voor klimaatregulering, het handhaven van een watervriendelijke oppervlaktedruk, afscherming tegen gevaarlijk ruimteweer, en de behuizing van de chemische bouwstenen van het leven.

Garcia-Sage en het computermodel van haar collega's gebruikten de atmosfeer van de aarde, magnetisch veld en zwaartekracht als proxy's voor Proxima b's. Ze berekenden ook hoeveel straling Proxima Centauri gemiddeld produceert, gebaseerd op waarnemingen van NASA's Chandra X-ray Observatory.

Met deze gegevens, hun model simuleert hoe de intense straling en frequente affakkeling van de gastster de atmosfeer van de exoplaneet beïnvloeden.

"De vraag is, hoeveel van de atmosfeer gaat verloren, en hoe snel vindt dat proces plaats?" zei Ofer Cohen, een ruimtewetenschapper aan de Universiteit van Massachusetts, Lowell en co-auteur van de studie. "Als we die tijd schatten, we kunnen berekenen hoe lang het duurt voordat de atmosfeer volledig ontsnapt - en dat vergelijken met de levensduur van de planeet."

Een actieve rode dwergster zoals Proxima Centauri verwijdert de atmosfeer wanneer hoogenergetische extreem ultraviolette straling atmosferische gassen ioniseert, het afstoten van elektronen en het produceren van een strook elektrisch geladen deeltjes. In dit proces, de nieuw gevormde elektronen krijgen genoeg energie om gemakkelijk aan de zwaartekracht van de planeet te ontsnappen en uit de atmosfeer te racen.

Tegengestelde ladingen trekken aan, zodat meer negatief geladen elektronen de atmosfeer verlaten, ze creëren een krachtige ladingsscheiding die positief geladen ionen met zich meetrekt, de ruimte in.

In de bewoonbare zone van Proxima Centauri, Proxima b wordt geconfronteerd met aanvallen van extreem ultraviolette straling die honderden keren groter is dan de aarde van de zon. Die straling genereert genoeg energie om niet alleen de lichtste moleculen - waterstof - weg te halen, maar ook, overuren, zwaardere elementen zoals zuurstof en stikstof.

Het model laat zien dat de krachtige straling van Proxima Centauri de aardachtige atmosfeer maar liefst 10, 000 keer sneller dan wat er op aarde gebeurt.

"Dit was een eenvoudige berekening op basis van de gemiddelde activiteit van de gastster, "Zei Garcia-Sage. "Het houdt geen rekening met variaties zoals extreme verwarming in de atmosfeer van de ster of gewelddadige stellaire verstoringen van het magnetische veld van de exoplaneet - dingen waarvan we zouden verwachten dat ze nog meer ioniserende straling en atmosferische ontsnapping opleveren."

Om te begrijpen hoe het proces kan variëren, de wetenschappers keken naar twee andere factoren die atmosferisch verlies verergeren. Eerst, ze beschouwden de temperatuur van de neutrale atmosfeer, de thermosfeer genoemd. Ze ontdekten dat naarmate de thermosfeer opwarmt met meer stellaire straling, atmosferische ontsnapping neemt toe.

De wetenschappers hebben ook rekening gehouden met de grootte van het gebied waarover atmosferische ontsnapping plaatsvindt, de poolkap genoemd. Planeten zijn het meest gevoelig voor magnetische effecten aan hun magnetische polen. Wanneer magnetische veldlijnen aan de polen gesloten zijn, de poolkap is beperkt en geladen deeltjes blijven in de buurt van de planeet gevangen. Anderzijds, grotere ontsnapping vindt plaats wanneer magnetische veldlijnen open zijn, eenrichtingsverkeer naar de ruimte bieden.

"Deze studie kijkt naar een ondergewaardeerd aspect van bewoonbaarheid, wat atmosferisch verlies is in de context van stellaire fysica, " zei Shawn Domagal-Goldman, een Goddard-ruimtewetenschapper die niet bij het onderzoek betrokken was. "Planeten hebben veel verschillende op elkaar inwerkende systemen, en het is belangrijk om ervoor te zorgen dat we deze interacties opnemen in onze modellen."

De wetenschappers laten zien dat met de hoogste thermosfeertemperaturen en een volledig open magnetisch veld, Proxima b zou in 100 miljoen jaar een hoeveelheid kunnen verliezen die gelijk is aan de hele atmosfeer van de aarde - dat is slechts een fractie van de 4 miljard jaar van Proxima b tot nu toe. Toen de wetenschappers uitgingen van de laagste temperaturen en een gesloten magnetisch veld, zoveel massa ontsnapt over 2 miljard jaar.

"Het kan interessant worden als een exoplaneet zijn atmosfeer vasthoudt, maar de atmosferische verliezen van Proxima b zijn hier zo hoog dat bewoonbaarheid onwaarschijnlijk is, " zei Jeremy Drake, een astrofysicus aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en co-auteur van de studie. "Dit stelt de bewoonbaarheid van planeten rond zulke rode dwergen in het algemeen in vraag."

Rode dwergen zoals Proxima Centauri of de ster TRAPPIST-1 zijn vaak het doelwit van jacht op exoplaneten, omdat ze de coolste zijn, kleinste en meest voorkomende sterren in de melkweg. Omdat ze koeler en zwakker zijn, planeten moeten strakke banen behouden om vloeibaar water aanwezig te kunnen zijn.

Maar tenzij het atmosferische verlies wordt tegengegaan door een ander proces - zoals een enorme hoeveelheid vulkanische activiteit of kometenbombardement - deze nabijheid, wetenschappers vinden steeds vaker is niet veelbelovend voor het voortbestaan ​​of de duurzaamheid van een atmosfeer.