De zoektocht naar leven buiten de aarde gaat gepaard met een golf van creativiteit en innovatie. Na een goudkoorts van ontdekking van exoplaneten in de afgelopen twee decennia, het is tijd voor de volgende stap:bepalen welke van de bekende exoplaneten geschikte kandidaten voor leven zijn.

Wetenschappers van NASA en twee universiteiten presenteerden nieuwe resultaten gewijd aan deze taak op gebieden die de astrofysica omvatten, Aardwetenschappen, heliofysica en planetaire wetenschap - die aantonen hoe een interdisciplinaire benadering essentieel is om leven op andere werelden te vinden - tijdens de herfstbijeenkomst van de American Geophysical Union op 13 december, 2017, in New Orleans, Louisiana.

"Het potentieel bewoonbare onroerend goed in het universum is enorm uitgebreid, " zei Giada Arney, een astrobioloog bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "We weten nu van duizenden exoplaneten, maar wat we over hen weten is beperkt omdat we ze nog niet direct kunnen zien."

Momenteel, wetenschappers vertrouwen meestal op indirecte methoden om exoplaneten te identificeren en te bestuderen; dergelijke methoden kunnen hen vertellen of een planeet op de aarde lijkt of hoe dicht deze bij zijn moederster staat. Maar dit is nog niet genoeg om te zeggen of een planeet echt bewoonbaar is, of geschikt voor het leven - hiervoor, wetenschappers moeten exoplaneten uiteindelijk rechtstreeks kunnen observeren.

Direct-imaging instrument en missie ontwerpen zijn aan de gang, maar ondertussen, Arney legde uit, wetenschappers boeken vooruitgang met instrumenten die ze al tot hun beschikking hebben. Ze bouwen computermodellen om te simuleren hoe bewoonbare planeten eruit zouden kunnen zien en hoe ze zouden interageren met hun moedersterren. Om hun modellen te valideren, ze kijken naar planeten in ons eigen zonnestelsel, als analogen voor de exoplaneten die we ooit zullen ontdekken. Dit, natuurlijk, omvat de aarde zelf - de planeet die we het beste kennen, en de enige die we tot nu toe kennen die bewoonbaar is.

"In onze zoektocht naar leven op andere werelden, het is belangrijk voor wetenschappers om exoplaneten vanuit een holistische zin te bekijken - dat wil zeggen, vanuit het perspectief van meerdere disciplines, "Zei Arney. "We hebben deze multidisciplinaire studies nodig om exoplaneten te onderzoeken als de complexe werelden gevormd door meerdere astrofysische, planetaire en stellaire processen, in plaats van alleen verre punten in de lucht."

De aarde als exoplaneet bestuderen

Wanneer mensen beginnen met het verzamelen van de eerste directe beelden van exoplaneten, zelfs de dichtstbijzijnde afbeelding verschijnt als een handvol pixels. Wat kunnen we leren over planetair leven van slechts een paar pixels?

Stephen Kane, een expert op het gebied van exoplaneten aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een manier bedacht om die vraag te beantwoorden met behulp van NASA's Earth Polychromatic Imaging Camera aan boord van het Deep Space Climate Observatory van de National Oceanic and Atmospheric Administration, of DSCOVR. Kane legde uit dat hij en zijn collega's de hoge resolutie-afbeeldingen van DSCOVR nemen - meestal gebruikt om de wereldwijde weerpatronen en andere klimaatgerelateerde gebeurtenissen op aarde te documenteren - en ze degraderen tot afbeeldingen van slechts enkele pixels groot. Kane voert de DSCOVR-beelden door een ruisfilter dat probeert de interferentie te simuleren die wordt verwacht van een exoplaneetmissie.

"Van slechts een handvol pixels, we proberen zoveel mogelijk informatie te extraheren die we over de aarde weten, "Zei Kane. "Als we het nauwkeurig kunnen doen voor de aarde, we kunnen dit doen voor planeten rond andere sterren."

DSCOVR maakt elk half uur een foto en is al twee jaar in een baan om de aarde. Het is meer dan 30, 000 afbeeldingen zijn verreweg de langste aaneengesloten registratie van waarnemingen op volledige schijf vanuit de ruimte die er bestaan. Door te observeren hoe de helderheid van de aarde verandert wanneer voornamelijk land in zicht is in vergelijking met voornamelijk water, Kane is erin geslaagd het albedo van de aarde te reverse-engineeren, scheefstand, rotatiesnelheid en zelfs seizoensvariatie - iets dat nog rechtstreeks voor exoplaneten moet worden gemeten - die allemaal mogelijk van invloed kunnen zijn op het vermogen van een planeet om leven te ondersteunen.

Zoeken naar andere Venussen

Net zoals wetenschappers de aarde gebruiken als case-study voor bewoonbare planeten, ze gebruiken ook planeten in het zonnestelsel - en daarom zijn ze beter bekend met planeten - als studies voor wat planeten onbewoonbaar maakt.

Kane bestudeert ook de zusterplaneet van de aarde, Venus, waar het oppervlak 850 graden Fahrenheit is en de atmosfeer - gevuld met zwavelzuur - op het oppervlak vastloopt met 90 keer de druk van de aarde. Omdat de aarde en Venus zo klein zijn en toch zo verschillend in hun vooruitzichten op bewoonbaarheid, hij is geïnteresseerd in het ontwikkelen van methoden om aard- en Venus-analogen te onderscheiden in andere planetaire systemen, als een manier om potentieel bewoonbare terrestrische planeten te identificeren.

Kane legde uit dat hij werkt aan het identificeren van Venus-analogen in gegevens van NASA's Kepler door de "Venus Zone, " waar planetaire zonnestraling - hoeveel licht een bepaalde planeet ontvangt van zijn gastheerster - een sleutelrol speelt in atmosferische erosie en broeikasgascycli.

"Het lot van de aarde en Venus en hun atmosferen zijn met elkaar verbonden, "Zei Kane. "Door naar soortgelijke planeten te zoeken, we proberen hun evolutie te begrijpen, en uiteindelijk hoe vaak zich ontwikkelende planeten eindigen in een Venus-achtig hellandschap."

Modellering van interacties tussen sterren en planeten

Terwijl Kane sprak over planeten, Goddard-ruimtewetenschapper Katherine Garcia-Sage concentreerde zich op de manier waarop planeten omgaan met hun gastheerster. Wetenschappers moeten ook overwegen hoe de eigenschappen van een gastster en de elektromagnetische omgeving van een planeet - die haar kan beschermen tegen harde stellaire straling - de bewoonbaarheid belemmeren of helpen. magnetisch veld van de aarde, bijvoorbeeld, beschermt de atmosfeer tegen de harde zonnewind, de constante uitstorting van geladen zonnemateriaal door de zon, die atmosferische gassen kan verwijderen in een proces dat ionosferische ontsnapping wordt genoemd.

Garcia-Sage beschreef onderzoek naar Proxima b, een exoplaneet die zich op vier lichtjaar afstand bevindt en waarvan bekend is dat hij bestaat binnen de bewoonbare zone van zijn rode dwergster, Proxima Centauri. Maar alleen omdat het zich in de bewoonbare zone bevindt - op de juiste afstand van een ster waar water zich op het oppervlak van een planeet zou kunnen verzamelen - wil nog niet zeggen dat het bewoonbaar is.

Hoewel wetenschappers nog niet kunnen zeggen of Proxima b gemagnetiseerd is, ze kunnen computermodellen gebruiken om te simuleren hoe goed een aardachtig magnetisch veld zijn atmosfeer zou beschermen in de korte baan van de exoplaneet naar Proxima Centauri, die vaak gewelddadige sterrenstormen veroorzaakt. De effecten van dergelijke stormen op de ruimteomgeving van een bepaalde planeet worden gezamenlijk ruimteweer genoemd.

"We moeten de ruimteweeromgeving van een planeet begrijpen om te begrijpen of een planeet bewoonbaar is, " zei Garcia-Sage. "Als de ster te actief is, het kan een atmosfeer in gevaar brengen, die nodig is voor het verstrekken van vloeibaar water. Maar er is een dunne lijn:er zijn aanwijzingen dat straling van een ster bouwstenen voor het leven kan produceren."

Een rode dwergster - een van de meest voorkomende soorten sterren in onze melkweg - zoals Proxima Centauri verwijdert de atmosfeer wanneer extreme ultraviolette straling atmosferische gassen ioniseert, produceren een strook elektrisch geladen deeltjes die langs magnetische veldlijnen de ruimte in kunnen stromen.

De wetenschappers berekenden hoeveel straling Proxima Centauri gemiddeld produceert, gebaseerd op waarnemingen van NASA's Chandra X-ray Observatory. In de baan van Proxima b, de wetenschappers ontdekten dat hun aardachtige planeet aanvallen van extreem ultraviolette straling ondervond die honderden keren groter waren dan de aarde van de zon.

Garcia-Sage en haar collega's ontwierpen een computermodel om te onderzoeken of een aardachtige planeet - met de atmosfeer van de aarde, magnetisch veld en zwaartekracht - in de baan van Proxima b zou het zijn atmosfeer kunnen vasthouden. Ze onderzochten drie factoren die ionosferische ontsnapping stimuleren:stellaire straling, temperatuur van de neutrale atmosfeer, en grootte van de poolkap, het gebied waarover de ontsnapping plaatsvindt.

De wetenschappers laten zien dat met de extreme omstandigheden die waarschijnlijk op Proxima b zullen bestaan, de planeet zou in 100 miljoen jaar een hoeveelheid kunnen verliezen die gelijk is aan de hele atmosfeer van de aarde - slechts een fractie van de 4 miljard jaar van Proxima b tot nu toe. Zelfs in het beste geval, zoveel massa ontsnapt over 2 miljard jaar, ruim binnen de levensduur van de planeet.

Mars, een laboratorium voor het bestuderen van exoplaneten

Terwijl Garcia-Sage sprak over gemagnetiseerde planeten, David Brein, planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Colorado, Kei, sprak over Mars - een planeet zonder magnetisch veld.

"Mars is een geweldig laboratorium om na te denken over exoplaneten, Brain zei. "We kunnen Mars gebruiken om ons denken over een verscheidenheid aan rotsachtige exoplaneten te beperken waar we nog geen waarnemingen hebben."

Het onderzoek van Brain maakt gebruik van observaties van NASA's Mars Atmosphere and Volatile Evolution, of MAVEN, missie om de vraag te stellen:hoe zou Mars zijn geëvolueerd als het om een ​​ander soort ster zou draaien? Het antwoord geeft informatie over hoe rotsachtige planeten - niet anders dan de onze - zich in verschillende situaties anders zouden kunnen ontwikkelen.

Er wordt gedacht dat Mars ooit water en een atmosfeer vervoerde die het mogelijk hebben gemaakt voor aardachtig leven. Maar Mars verloor in de loop van de tijd veel van zijn atmosfeer door een verscheidenheid aan chemische en fysische processen - MAVEN heeft sinds de lancering eind 2013 vergelijkbaar atmosferisch verlies op de planeet waargenomen.

Brein, een MAVEN-medeonderzoeker, en zijn collega's pasten de inzichten van MAVEN toe op een hypothetische simulatie van een Mars-achtige planeet in een baan om een ​​ster van klasse M - algemeen bekend als een rode dwergster. In deze denkbeeldige situatie de planeet zou ongeveer vijf tot tien keer meer ultraviolette straling ontvangen dan de echte Mars, wat op zijn beurt de atmosferische ontsnapping versnelt tot veel hogere snelheden. Hun berekeningen geven aan dat de atmosfeer van de planeet drie tot vijf keer zoveel geladen deeltjes en ongeveer vijf tot tien keer meer neutrale deeltjes zou kunnen verliezen.

Een dergelijk tempo van atmosferisch verlies suggereert dat een baan aan de rand van de bewoonbare zone van een stille M-klasse ster, in plaats van onze zon, zou de bewoonbare periode van de planeet met een factor vijf tot twintig kunnen verkorten.

"Maar ik zou de hoop op rotsachtige planeten in een baan om M-dwergen niet opgeven, "Zei Brain. "We hebben een worstcasescenario gekozen. Mars is een kleine planeet, en mist een magnetisch veld, zodat zonnewind zijn atmosfeer effectiever kan verwijderen. We hebben ook een Mars uitgekozen die niet geologisch actief is, dus er is geen interne bron van atmosfeer. Als je een factor hebt veranderd, zo'n planeet zou een gelukkiger plek kunnen zijn."

Elk van deze onderzoeken draagt ​​slechts één stukje bij aan een veel grotere puzzel - om te bepalen naar welke kenmerken we moeten zoeken, en moet herkennen, in de zoektocht naar een planeet waar leven mogelijk is. Samen, dergelijk interdisciplinair onderzoek legt de basis om ervoor te zorgen dat, naarmate er nieuwe missies worden ontwikkeld om exoplaneten duidelijker te observeren, we zullen klaar zijn om te bepalen of ze misschien gewoon het leven hosten.