Sommige exoplaneten schijnen helderder dan andere in de zoektocht naar leven buiten het zonnestelsel. Nieuw NASA-onderzoek stelt een nieuwe benadering voor om exoplaneetatmosferen op te snuiven. Het maakt gebruik van frequente stellaire stormen - die enorme wolken van stellair materiaal en straling de ruimte in slingeren - van koele, jonge dwergsterren om tekenen van bewoonbare exoplaneten te markeren.

traditioneel, onderzoekers hebben gezocht naar mogelijke biosignaturen om bewoonde werelden te identificeren:bijproducten van het leven zoals we dat kennen, zoals zuurstof of methaan, die zich in de loop van de tijd in de atmosfeer ophopen tot detecteerbare hoeveelheden. Maar met de huidige technologie volgens Vladimir Airapetian, hoofdauteur van a Wetenschappelijke rapporten studie gepubliceerd op 2 november, 2017, het identificeren van deze gassen op verre terrestrische exoplaneten is tijdrovend, dagen observatietijd nodig hebben. De nieuwe studie suggereert in plaats daarvan op zoek te gaan naar grovere handtekeningen van potentieel bewoonbare werelden, wat gemakkelijker te detecteren zou zijn met de huidige middelen in minder tijd.

"We zijn op zoek naar moleculen die zijn gevormd uit fundamentele voorwaarden voor leven - met name moleculaire stikstof, dat is 78 procent van onze atmosfeer, " zei Airapetian, die een zonnewetenschapper is bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en aan de Amerikaanse Universiteit in Washington, D.C. "Dit zijn basismoleculen die biologisch vriendelijk zijn en een sterk infrarood uitzendend vermogen hebben, het vergroten van onze kans om ze te detecteren."

Het huidige leven op aarde vertelt Airapetian en zijn team van onderzoekers dat ze moeten zoeken naar atmosferen die rijk zijn aan waterdamp en stikstof, en zuurstof, het product van het leven. Zuurstof en stikstof zweven stabiel vrij in hun moleculaire vorm, dat wil zeggen, twee atomen van zuurstof of stikstof samengebonden in één molecuul. Maar in de buurt van een actieve dwergster, extreem ruimteweer veroorzaakt verschillende chemische reacties, die onderzoekers kunnen gebruiken als indicatoren voor de samenstelling van de atmosfeer.

Sterren zoals onze zon zijn turbulent in hun adolescentie en produceren vaak krachtige uitbarstingen die stellaire deeltjes voor zich uit werpen tot bijna lichtsnelheden. In tegenstelling tot onze zon, sommige gele en de meeste oranje sterren - die een beetje koeler zijn dan de zon - kunnen deze sterke sterrenstormen miljarden jaren blijven produceren, het genereren van frequente zwermen van hoogenergetische deeltjes.

Wanneer deze deeltjes een exoplaneet bereiken, ze overspoelen de atmosfeer met genoeg energie om moleculaire stikstof en zuurstof te breken in individuele atomen, en watermoleculen in hydroxyl - elk één atoom van zuurstof en waterstof, samengebonden. Vanaf daar, de reactieve stikstof- en zuurstofatomen veroorzaken een cascade van chemische reacties die uiteindelijk leiden tot wat de wetenschappers atmosferische bakens noemen:hydroxyl, meer moleculaire zuurstof, en stikstofmonoxide - een molecuul gemaakt van één stikstof- en één zuurstofatoom.

Airapetian en zijn collega's gebruikten een model om te berekenen hoeveel stikstofmonoxide en hydroxyl zouden worden gevormd en hoeveel ozon zou worden vernietigd in een aardachtige atmosfeer rond een actieve ster. Aardwetenschappers gebruiken dit model al tientallen jaren om te bestuderen hoe ozon - dat van nature ontstaat wanneer zonlicht zuurstof raakt - in de bovenste atmosfeer reageert op zonnestormen, maar het vond een nieuwe toepassing in deze studie; aarde is, ten slotte, de beste case study die beschikbaar is in de zoektocht naar het leven.

Met behulp van een computersimulatie, de onderzoekers stelden de modelatmosfeer bloot aan het ruimteweer dat ze zouden verwachten van een koele, actieve ster. Ze ontdekten dat ozon tot een minimum daalt en de productie van atmosferische bakens voedt.

Voor onderzoekers, deze chemische reacties zijn erg nuttig. Wanneer sterrenlicht de atmosfeer raakt, veerachtige bindingen in de bakenmoleculen absorberen de energie en trillen, die energie terug de ruimte in sturen als warmte, of infraroodstraling. Wetenschappers weten welke gassen straling uitzenden bij bepaalde golflengten van licht, dus door te kijken naar alle straling die uit de atmosfeer komt, het is mogelijk om een ​​idee te krijgen van wat er in de atmosfeer zelf is.

Het vormen van een detecteerbare hoeveelheid van deze bakens vereist een grote hoeveelheid moleculaire zuurstof en stikstof. Dus, als ze worden gedetecteerd, deze verbindingen kunnen duiden op een atmosfeer gevuld met biologisch vriendelijke chemie, evenals de aardachtige atmosferische druk - en dus de mogelijkheid van een bewoonbare wereld, een naald in een enorme hooiberg van exoplaneten.

Deze benadering is ook bedoeld om exoplaneten uit te roeien zonder een aardachtig magnetisch veld. "Een planeet heeft een magnetisch veld nodig, die de atmosfeer afschermt en de planeet beschermt tegen stellaire stormen en straling, Airapetian zei. "Als sterwinden niet zo extreem zijn dat ze het magnetische veld van een exoplaneet dicht bij het oppervlak comprimeren, het magnetische veld voorkomt atmosferische ontsnapping, dus er zijn meer deeltjes in de atmosfeer en een sterker resulterend infrarood signaal."

Airapetian en zijn collega's gebruikten gegevens van NASA's Earth-study TIMED-missie - een afkorting van Thermosphere Ionosphere Mesophere Energetics Dynamics - om te simuleren hoe infraroodobservaties van deze bakens eruit zouden kunnen zien. De gegevens kwamen van TIMED's spectroscopie-instrument genaamd SABRE - een afkorting voor Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry - dat dezelfde chemie bestudeert die de atmosferische bakens genereert, zoals het voorkomt in de bovenste atmosfeer van de aarde als reactie op zonneactiviteit.

"Op basis van wat we weten over infraroodstraling die wordt uitgezonden door de atmosfeer van de aarde, het idee is om naar exoplaneten te kijken en te zien wat voor soort signalen we kunnen detecteren, " zei Martin Mlynczak, een co-auteur van het artikel en de SABRE associate hoofdonderzoeker bij NASA's Langley Research Center in Hampton, Virginia. "Als we signalen van exoplaneten vinden in bijna dezelfde verhouding als die van de aarde, we zouden kunnen zeggen dat de planeet een goede kandidaat is om leven te herbergen."

De SABRE-gegevens toonden aan dat de frequentie van intense sterrenstormen rechtstreeks verband houdt met de sterkte van de warmtesignalen van de atmosferische bakens. Met meer stormen, er worden meer bakenmoleculen gegenereerd en het infraroodsignaal zou sterk genoeg zijn, de wetenschappers schatten, te observeren vanaf nabijgelegen exoplaneten met een ruimtetelescoop van zes tot tien meter in slechts twee uur observatietijd.

"Dit is een opwindende nieuwe voorgestelde manier om naar leven te zoeken, " zei Shawn Domagal-Goldman, een Goddard-astrobioloog die niet bij het onderzoek betrokken was. "Maar zoals met alle tekenen van leven, de exoplaneetgemeenschap moet goed nadenken over de context. Wat zijn de manieren waarop niet-biologische processen deze signatuur kunnen nabootsen?"

Met de juiste soort ster, dit werk zou kunnen leiden tot nieuwe strategieën in de zoektocht naar leven die niet alleen potentieel bewoonbare planeten identificeren, maar planetenstelsels, aangezien de manier waarop de atmosfeer van een planeet interageert met zijn moederster ook een belangrijk effect heeft op zijn bewoonbaarheid. Als er veelbelovende signalen worden gedetecteerd, onderzoekers kunnen observaties coördineren met een toekomstig ruimteobservatorium zoals NASA's James Webb Space Telescope, waardoor de kans op het ontdekken van een dergelijk potentieel systeem groter wordt.

"Nieuwe inzichten over het potentieel voor leven op exoplaneten zijn in grote mate afhankelijk van interdisciplinair onderzoek waarin gegevens, modellen en technieken worden gebruikt uit de vier wetenschappelijke afdelingen van NASA Goddard:heliofysica, astrofysica, planetaire en aardwetenschappen, "Goddard senior astrofysicus en co-auteur William Danchi zei. "Dit mengsel produceert unieke en krachtige nieuwe wegen voor onderzoek naar exoplaneten."