Kijkend naar de toekomst, NASA en andere ruimtevaartorganisaties hebben hoge verwachtingen van het onderzoek naar extra-solaire planeten. In het afgelopen decennium, het aantal bekende exoplaneten heeft net geen 4000 bereikt, en naar verwachting zullen er nog veel meer worden gevonden zodra de telescopen van de volgende generatie in gebruik worden genomen. En met zoveel exoplaneten om te bestuderen, onderzoeksdoelen zijn langzaam verschoven van het proces van ontdekking naar karakterisering.

Helaas, wetenschappers worden nog steeds geplaagd door het feit dat wat wij beschouwen als een "bewoonbare zone" onderhevig is aan veel aannames. Dit aanpakken, een internationaal team van onderzoekers publiceerde onlangs een paper waarin ze aangaven hoe toekomstige exoplaneetonderzoeken verder kunnen kijken dan aardanaloge voorbeelden als indicaties van bewoonbaarheid, en een meer alomvattende aanpak hanteren.

De krant, getiteld "Voorspellingen voor bewoonbare zones en hoe ze te testen, " verscheen onlangs online en werd als witboek ingediend bij de Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. Het team erachter werd geleid door Ramses M. Ramirez, een onderzoeker bij het Earth-Life Science Institute (ELSI) en het Space Science Institute (SSI), die werd vergezeld door co-auteurs en mede-ondertekenaars van 23 universiteiten en instellingen.

Het doel van het decenniumonderzoek is om eerdere vorderingen op verschillende onderzoeksgebieden in kaart te brengen en prioriteiten te stellen voor het komende decennium. Als zodanig, de enquête biedt cruciale richtlijnen voor NASA, de National Space Foundation (NSF), en het ministerie van Energie terwijl ze hun astronomie- en astrofysica-onderzoeksdoelen voor de toekomst plannen.

Momenteel, veel van deze doelen zijn gericht op de studie van exoplaneten, die de komende jaren zullen profiteren van de inzet van telescopen van de volgende generatie, zoals de James Webb Space Telescope (JWST) en de Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), evenals observatoria op de grond, zoals de Extremely Large Telescope (ELT), de dertig meter telescoop, en de Giant Magellan Telescope (GMT).

Een van de belangrijkste prioriteiten van onderzoek naar exoplaneten is het zoeken naar planeten waar buitenaards leven zou kunnen bestaan. In dit opzicht, wetenschappers wijzen planeten aan als "potentieel bewoonbaar" (en daarom vervolgwaarnemingen waard) op basis van het feit of ze al dan niet binnen de bewoonbare zones (HZ) van hun sterren cirkelen. Om deze reden, het is verstandig om te kijken naar wat er bij het definiëren van een HZ komt kijken.

Zoals Ramirez en zijn collega's in hun paper aangaven, een van de belangrijkste problemen met de bewoonbaarheid van exoplaneten is het aantal veronderstellingen dat is gemaakt. Om het af te breken, de meeste definities van HZ's gaan uit van de aanwezigheid van water op het oppervlak, aangezien dit het enige oplosmiddel is waarvan momenteel bekend is dat het leven herbergt. Deze zelfde definities gaan ervan uit dat het leven een rotsachtige planeet met tektonische activiteit vereist die rond een geschikte heldere en warme ster draait.

Echter, recent onderzoek heeft veel van deze veronderstellingen in twijfel getrokken. Dit omvat studies die aangeven dat zuurstof in de lucht niet automatisch de aanwezigheid van leven betekent - vooral als die zuurstof het resultaat is van chemische dissociatie en niet van fotosynthese. Ander onderzoek heeft aangetoond dat de aanwezigheid van zuurstofgas tijdens de vroege perioden van de evolutie van een planeet de opkomst van elementaire levensvormen zou kunnen voorkomen.

Ook, er zijn recente studies die aantonen dat platentektoniek misschien niet nodig is om leven te laten ontstaan, en dat zogenaamde "waterwerelden" misschien niet in staat zijn om het leven te ondersteunen (maar nog steeds zouden kunnen). Bovenop dat alles, je hebt theoretisch werk dat suggereert dat leven zou kunnen evolueren in zeeën van methaan of ammoniak op andere hemellichamen.

Het belangrijkste voorbeeld hier is Saturnusmaan Titan, die een omgeving heeft die rijk is aan prebiotische omstandigheden en organische chemie, waarvan sommige wetenschappers denken dat ze exotische levensvormen kunnen ondersteunen. Uiteindelijk, wetenschappers zoeken naar bekende biomarkers zoals water en koolstofdioxide omdat ze worden geassocieerd met het leven op aarde, het enige bekende voorbeeld van een levendragende planeet.

Maar zoals Ramirez via e-mail aan Universe Today uitlegde, deze mentaliteit (waarbij aardse analogen geschikt worden geacht voor leven) is nog steeds vol problemen:

"De definitie van de klassieke bewoonbare zone is gebrekkig omdat de constructie ervan voornamelijk is gebaseerd op op de aarde gerichte klimatologische argumenten die al dan niet van toepassing zijn op andere potentieel bewoonbare planeten. het gaat ervan uit dat multi-bar CO2-atmosferen kunnen worden ondersteund op potentieel bewoonbare planeten nabij de buitenrand van de bewoonbare zone. Echter, zulke hoge CO2-niveaus zijn giftig voor aardse planten en dieren, en dus zonder een beter begrip van de grenzen van het leven, we weten niet hoe redelijk deze veronderstelling is.

"De klassieke HZ gaat er ook van uit dat CO2 en H2O de belangrijkste broeikasgassen zijn die potentieel bewoonbare planeten in stand houden, maar verschillende studies in de afgelopen jaren hebben alternatieve HZ-definities ontwikkeld met verschillende combinaties van broeikasgassen, inclusief degenen die, hoewel relatief klein op aarde, zou belangrijk kunnen zijn voor andere potentieel bewoonbare planeten."

In een eerdere studie, Dr. Ramirez toonde aan dat de aanwezigheid van methaan en waterstofgas ook een wereldwijde waarschuwing kan veroorzaken, en daarmee de klassieke HZ enigszins uit te breiden. Dit kwam slechts een jaar nadat hij en Lisa Kaltenegger (een universitair hoofddocent aan het Carl Sagan Institute aan de Cornell University) een onderzoek produceerden dat aantoonde dat vulkanische activiteit (waardoor waterstofgas in de atmosfeer vrijkomt) ook de HZ van een ster kan verlengen.

Gelukkig, onderzoekers krijgen de kans om deze definities te testen, dankzij de inzet van telescopen van de volgende generatie. Niet alleen zullen wetenschappers enkele van de al lang bestaande veronderstellingen kunnen testen waarop HZ's zijn gebaseerd, ze zullen verschillende interpretaties kunnen vergelijken. Volgens Dr. Ramirez, een goed voorbeeld zijn de niveaus van CO2-gas die afhankelijk zijn van de afstand van een planeet tot zijn ster:

"De volgende generatie telescopen zouden de bewoonbare zone kunnen testen door te zoeken naar een voorspelde toename van de atmosferische CO2-druk naarmate de potentieel bewoonbare planeten verder van hun sterren verwijderd zijn. Dit zou ook testen of de carbonaat-silicaatcyclus, wat volgens velen onze planeet voor een groot deel van haar geschiedenis bewoonbaar heeft gehouden, is een universeel proces of niet."

In dit proces, silicaatgesteenten worden door verwering en erosie omgezet in koolstofgesteenten, terwijl koolstofgesteenten worden omgezet in silicaatgesteenten door vulkanische en geologische activiteit. Deze cyclus zorgt voor de stabiliteit van de aardatmosfeer op lange termijn door de CO2-niveaus in de loop van de tijd consistent te houden. Het illustreert ook dat water- en platentektoniek essentieel zijn voor het leven zoals wij dat kennen.

Echter, dit type cyclus kan alleen bestaan ​​op planeten met land, die effectief "waterwerelden" uitsluit. Deze exoplaneten - die mogelijk veel voorkomen rond M-type (rode dwerg) sterren - worden verondersteld tot 50 massaprocent uit water te bestaan. Met deze hoeveelheid water op hun oppervlak, "waterwerelden" hebben waarschijnlijk dichte ijslagen op hun kern-mantelgrens, waardoor hydrothermische activiteit wordt voorkomen.

Maar zoals al opgemerkt, er is enig onderzoek dat aangeeft dat deze planeten nog steeds bewoonbaar kunnen zijn. Terwijl de overvloed aan water de opname van koolstofdioxide door rotsen zou verhinderen en vulkanische activiteit zou onderdrukken, simulaties hebben aangetoond dat deze planeten nog steeds koolstof kunnen circuleren tussen de atmosfeer en de oceaan, waardoor het klimaat stabiel blijft.

Als dit soort oceaanwerelden bestaan, zegt dr. Ramirez, wetenschappers konden ze detecteren door hun lagere planetaire dichtheid en hogedrukatmosfeer. En dan is er nog de kwestie van verschillende broeikasgassen, die niet altijd een indicatie zijn van warmere planetaire atmosferen, afhankelijk van het type ster.

"Hoewel methaan onze planeet verwarmt, we ontdekten dat methaan de oppervlakken van planeten in bewoonbare zones rond rode dwergsterren koelt, "zei hij. "Als dat het geval is, hoge hoeveelheden methaan in de atmosfeer op dergelijke planeten kunnen bevroren omstandigheden betekenen die misschien ongeschikt zijn voor het herbergen van leven. We zullen dit in planetaire spectra kunnen waarnemen."

Over rode dwergen gesproken, het debat woedt voort over de vraag of planeten die om deze sterren draaien in staat zouden zijn om een ​​atmosfeer in stand te houden. In de laatste paar jaren, meerdere ontdekkingen hebben gesuggereerd dat rotsachtige, getijde-opgesloten planeten komen vaak voor rond rode dwergsterren, en dat ze binnen de respectieve HZ's van hun sterren cirkelen.

Echter, later onderzoek heeft de theorie versterkt dat de instabiliteit van rode dwergsterren waarschijnlijk zou resulteren in zonnevlammen die de atmosferen van alle planeten die eromheen draaien zouden strippen. als laatste, Ramirez en zijn collega's wijzen op de mogelijkheid dat bewoonbare planeten kunnen worden gevonden in een baan rond hoofdreekstype A-sterren, die tot voor kort als onwaarschijnlijke kandidaten werden beschouwd. Hoofdreeks type-A sterren Sirius A, Altaar, en Vega werden beschouwd als te helder en te warm om bewoonbaar te zijn.

Ramirez zegt, "Ik ben ook geïnteresseerd om te weten te komen of er leven bestaat op planeten in bewoonbare zones die rond A-sterren draaien. Er zijn niet veel gepubliceerde beoordelingen van de bewoonbaarheid van planeten in A-sterren, maar sommige architecturen van de volgende generatie zijn van plan ze te observeren. Binnenkort leren we meer over de geschiktheid van A-stars for life."

uiteindelijk, studies zoals deze, die de definitie van de "bewoonbare zone, " zal van pas komen wanneer missies van de volgende generatie wetenschappelijke operaties beginnen. Met een hogere resolutie, meer gevoelige instrumenten, ze zullen veel van de voorspellingen van wetenschappers kunnen testen en valideren.

Deze tests zullen ook bevestigen of leven daarbuiten alleen zou kunnen bestaan ​​zoals wij het kennen, of ook buiten de parameters die we als 'aards' beschouwen. Ramirez zegt dat de studie die hij en zijn collega's hebben uitgevoerd ook laat zien hoe belangrijk het is dat we blijven investeren in geavanceerde telescooptechnologie:

"Onze paper benadrukt ook het belang van een voortdurende investering in geavanceerde telescooptechnologie. We moeten zoveel mogelijk bewoonbare zoneplaneten kunnen vinden en karakteriseren als we onze kansen op het vinden van leven willen maximaliseren. Ik hoop ook dat onze krant mensen inspireert om verder te dromen dan alleen de komende 10 jaar. Ik geloof echt dat er uiteindelijk missies zullen zijn die veel capabeler zullen zijn dan alles wat we momenteel ontwerpen. Onze huidige inspanningen zijn slechts het begin van een veel meer toegewijde inspanning voor onze soort."

De Decadal Survey-bijeenkomst van 2020 wordt gezamenlijk georganiseerd door de Board of Physics and Astronomy en de Space Studies Board van de National Academy of Sciences, en zal worden gevolgd door een rapport dat over ongeveer twee jaar zal worden uitgebracht.